Das Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) war ein Exzellenzcluster im Bereich der Neurowissenschaften.
Es nimmt für sich in Anspruch, die gemeinsame Plattform für systemische Neurowissenschaften an der Universität Tübingen zu sein. Es wurde 2007/2008 im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern als Exzellenzcluster der Universität Tübingen eingerichtet und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Knapp 90 Wissenschaftler mit ihren Arbeitsgruppen, von denen derzeit 21 überwiegend aus Mitteln der Exzellenzinitiative ermöglicht werden, sind Mitglieder des CIN. Der Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt auf der systemneurobiologischen Grundlagenforschung und umfasst auf der Basis eines interdisziplinären und integrativen Ansatzes Projekte, die thematisch in der Biologie, Medizin, Physik, Informatik und den Ingenieurwissenschaften sowie der Kognitionsforschung und der Neurophilosophie angesiedelt sind. Die Förderung des CIN lief bis 2019.
Der Namensgeber Werner Reichardt war ein Pionier der Erforschung der Grundlagen des Sehens und der Informationsverarbeitung.
Geschichte Das CIN ist ein Exzellenzcluster, das im Rahmen der ersten Runde der Exzellenzinitiative (Antragstellung: 2006/2007; Förderbeginn: 1. November 2007) erfolgreich beantragt und am 8. Dezember 2008 offiziell eingeweiht wurde. Zu den 25 Principal Investigators (PIs), die den Antrag gemeinsam auf den Weg gebracht hatten, gesellten sich zur Gründung des Clusters weitere 23 Gründungsmitglieder.Bericht an die DFG „Setting up the CIN. 2008–2010 Report“, Dezember 2010, S. 22. Da das CIN als eine gemeinsame Plattform zum Austausch, Koordination und Kooperation in der Tübinger neurowissenschaftlichen Landschaft intendiert ist, entwickelt sich seine Mitgliedschaft seither dynamisch. Zum Kreis seiner Mitglieder gehören derzeit ca. 90 Tübinger Neurowissenschaftler, die aufgrund wissenschaftsorientierter Kriterien ausgewählt wurden.
In der letzten Runde der Exzellenzinitiative (Antragstellung: 2010/2011; Förderbeginn: 1. November 2012) bewarb sich das CIN um eine Verlängerung seiner Förderung als Exzellenzcluster für weitere fünf Jahre und erhielt sie. Im selben Jahr konnte die Universität Tübingen auch mit seinem Zukunftskonzept und einer Graduiertenschule punkten.
Die Unterbringung des CIN in einem eigenen Gebäude auf dem Schnarrenberg-Campus des Universitätsklinikums, das im Frühjahr 2012 bezogen werden konnte (offizielle Eröffnung: 14. Mai 2012), stellt die räumliche Nähe zu inhaltlich-wissenschaftlich benachbarten Instituten am Standort sicher. Das Gebäude des CIN liegt direkt zwischen dem Hertie-Institut für Klinische Hirnforschung (HIH) und dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). Vor dem Bezug dieses Gebäudes war das CIN vorübergehend in unmittelbarer Nähe zum Tübinger Max-Planck-Campus in einem Gebäude des Technologieparks Tübingen-Reutlingen (TTR) untergebracht.
Sprecher des Clusters ist seit seiner Gründung der Neurobiologe Hans-Peter Thier, Ärztlicher Direktor der Abteilung Kognitive Neurologie des Zentrums für Neurologie/Hertie Institutes für Klinische Hirnforschung des Universitätsklinikums Tübingen.
Forschungsansatz und Forschungsfragen Im Zentrum der Forschung am CIN steht die doppelte Frage, wie das Gehirn seine Funktionen (etwa Wahrnehmung, Gedächtnis, Emotion, Kommunikation, Motorik) hervorbringt, und wie Erkrankungen des Gehirns (Alzheimer, Parkinson, ALS etc.) diese Funktionen beeinträchtigen.
Antworten auf diese Fragen wird von einem integrativen Ansatz erhofft, in dem verschiedene Betrachtungsebenen einbezogen werden, von der untersten Ebene, den genetischen, zellulären und molekularen Grundlagen von Hirnfunktionen über größere informationsverarbeitende Strukturen in Form neuronaler Schaltkreise und weiterverteilter Nervenzell-Netzwerke bis hinauf zur Betrachtung der Prinzipien von Kognition und Verhalten.
Diese unterschiedlichen Betrachtungsebenen erfordern unterschiedliche wissenschaftliche Methoden und können auf unterschiedliche Weise Voraussetzungen für die Anwendung in Medizin und Technik entwickeln.
Die Forschung am CIN ist grob in fünf Arbeitsbereichen gegliedert. Drei Arbeitsbereiche sind durch die von den jeweiligen Arbeitsgruppen geteilte Betrachtungsebene definiert: Die zelluläre Ebene („The sensory and neuronal basis of integrative brain function (Cellular Level)“), die Netzwerk-Ebene („The sensory and neuronal basis of integrative brain function (Network Level)“) und die kognitiv-behaviorale Ebene („Cognition and behaviour originating from integrative brain functions (Cognitive Level)“). In allen Bereichen werden Methoden der Computational Neuroscience in Ergänzung biologischer bzw. kognitionswissenschaftlicher Ansätze berücksichtigt.
Hinzu kommen zwei Arbeitsbereiche mit Querschnittscharakter, in denen Methodenentwicklung bzw. Anwendungsentwicklungen im Vordergrund stehen. Im Arbeitsbereich „Designing the tools to probe integrative brain functions (Advanced Tools)“ stehen bildgebende Verfahren (MEG, fMRT etc.) im Vordergrund. Im Arbeitsbereich „Brain-related technical applications and neuroprosthetics (Neurotechnology)“ geht es darum, Ergebnisse der neurobiologischen Grundlagenforschung zu nutzen, um innovative Rehabilitationsansätze und prothetische Verfahren zu fördern und Neurotechnologie zu entwickeln.
Methoden In der Forschung am CIN kommt eine große Bandbreite an Methoden zum Einsatz, was der Vielzahl an Betrachtungsebenen im Forschungsprogramm entspricht. In Untersuchungen des menschlichen Gehirns dominieren nichtinvasive bildgebende Verfahren wie etwa die Elektroenzephalografie (EEG) und Magnetoenzephalografie (MEG), die sich durch hohe zeitliche Auflösung der Messdaten auszeichnen, aber eine vergleichsweise schlechte räumliche Auflösung bieten. Durch Kombination dieser elektrophysiologischen Verfahren mit der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) – eine Methode, die eine um etwa zwei Größenordnungen höhere räumliche Auflösung ermöglicht – gelingt es, die anatomische Zuordnung der elektrophysiologischen Signale zu verbessern. Um das räumliche Auflösungsvermögen der Magnetresonanztomografie weiter zu verbessern, erkunden Arbeitsgruppen am CIN das Potenzial von Hochfeld-Techniken, u. a. in Form eines experimentellen 9,4-Tesla-MRT-Scanners für Untersuchungen des Gehirns menschlicher Probanden und eines 14,1-Tesla-Tier-MRT am Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik unter der Leitung des CIN-Professors Klaus Scheffler. In der nichtinvasiven molekularen Bildgebung verwenden Arbeitsgruppen des CIN Magnetresonanztomographie in Kombination mit Positronen-Emissions-Tomografie (PET).
Noch höhere räumlich-zeitliche Auflösungen sind derzeit nur mit invasiven Verfahren möglich, die in den meisten Fällen die Nutzung von Tieren erfordern. Eingesetzt werden die elektrophysiologische Registrierung von Membranströmen inklusive Aktionspotenziale durch extrazelluläre oder intrazelluläre Elektrodenableitungen, Single-unit recording, die Untersuchung von Neuronen in größeren Verbänden mit Multi-Elektroden-Arrays (MEA) und per Patch-Clamp-Techniken, die die Untersuchung von Membranströmen in einzelnen Bereichen der Nervenzelle ermöglichen.
Neben diesen ständig weiter verfeinerten elektrophysiologischen Methoden kommen am CIN auch zahlreiche optische Methoden zum Einsatz, mit denen einzelne Zellen und Zellverbände in vitro oder in vivo sichtbar gemacht werden und ihre Aktivität in Echtzeit beobachtet werden kann (Fluoreszenzmikroskopie, insbesondere mithilfe von Konfokal- und 2-Photonenmikroskopen). Die jüngste Innovation in der Nutzung optischer Verfahren ist die Lokalisation definierter Proteine in bestimmten Teilen von Nervenzellen durch Kombination von Super-Resolution Microscopy, die eine Auflösung unterhalb des Abbe-Limits der konventionellen Lichtmikroskopie erlaubt, mit einer molekülspezifischen Markierung. Dieses Verfahren wird u. a. von einer neu eingerichteten Nachwuchsgruppe am CIN genutzt, um axonale Schäden infolge entzündlicher oder neurodegenerativer Erkrankungen zu analysieren, etwa der Multiplen Sklerose.
Welche Rolle neurale Schaltkreise für bestimmte Hirnfunktionen spielen, wird auch mit Hilfe klassischer Methoden wie der Analyse der Folgen von Hirnläsionen untersucht. Außerdem kommt eine Vielzahl experimenteller Verfahren zum Einsatz, etwa die nichtinvasive Transkranielle Magnetstimulation (TMS), oder invasive Techniken wie elektrische Mikrostimulation oder lokale pharmakologische Manipulation eingesetzt. Sie werden zunehmend ergänzt durch invasive optogenetische Techniken, bei denen genetisch modifizierte Neurone durch Licht einer bestimmten Wellenlänge aktiviert und deaktiviert werden.
Biologische Daten werden am CIN mit modernen statistischen Verfahren analysiert und aufbereitet. Dabei werden Methoden der theoretischen Neurowissenschaften genutzt, um neuronale Netzwerke zu simulieren und experimentell überprüfbare Voraussagen zu gewinnen.
Mehrere Arbeitsgruppen am CIN unternehmen den Brückenschlag zur Geisteswissenschaft, insbesondere zur Philosophie. Eine besondere Rolle kommt hierbei einer neuen Professur für Neurophilosophie zu, die aus einer Nachwuchsgruppe zum selben Thema hervorgegangen ist.Joachim Müller-Jung, „Ein Netzwerk, mit System erforscht“, Frankfurter Allgemeine Zeitung, 31. Mai 2017.
Standort und Partnerschaften Das CIN ist eine interfakultäre Einrichtung, zu der drei Fakultäten der Universität Tübingen beitragen: Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, die Medizinische Fakultät und die Fakultät für Philosophie. Enge Partnerschaften am Standort verbinden das CIN mit dem Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik, mit dem das CIN eine gemeinsame Professur und Arbeitsgruppe zur Hochfeld-Magnetresonanztomografie unterhält, und mit dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.
Mit dem HIH und dem DZNE, die in benachbarten Gebäuden angesiedelt sind, bildet das CIN den Neurocampus „Schnarrenberg“, der durch die kurzen Distanzen die effiziente Nutzung von Ressourcen und Geräten ermöglicht und zum wissenschaftlichen Diskurs einlädt. Um letzteren anzuregen, organisieren die beteiligten Einrichtungen Kolloquia und informelle Treffen sowie ein jährliches Neurocampus „Get-Together“. Die enge Verzahnung der Einrichtungen zeigt sich u. a. darin, dass CIN und HIH mehrere gemeinsame Arbeitsgruppen in den Bereichen Sensomotorik sowie Lernen und Erinnerung betreiben.
Weiter bestehen enge Verbindungen zum Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen (NMI), zum Tübinger Zweig des Deutschen Zentrums für Diabetesforschung (DZD) sowie zum Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (Fraunhofer IPA). Unter maßgeblicher Beteiligung zahlreicher Mitglieder des CIN gelang außerdem im Jahr 2010 die Einwerbung und Einrichtung des Tübinger Bernstein-Zentrums für Computational Neuroscience, das von CIN-Professor Matthias Bethge koordiniert wurde und im Rahmen der Bernstein-Initiative von 2010 bis 2015 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde.
Nachwuchsförderung