Prof. Dr. Gilles Laurent

Forschungsschwerpunkte: Zelluläre und systemische Neurowissenschaften, Evolution des Gehirns, Selbstorganisation dynamischer Systeme

Gilles Laurent ist ein französischer Veterinär und Neuroethologe, der das Verhalten von Tieren und die zugrunde liegenden neuronalen Prozesse untersucht. Seine Arbeit konzentriert sich auf die Dynamik neuronaler Netzwerke und deren Einfluss auf Wahrnehmung, Bewegung, Schlaf und Verhalten. Die zugrundeliegenden Prinzipien untersucht er in verschiedenen Tierarten und kombiniert in seinen Studien dabei quantitative Verhaltensbeobachtungen, molekulare und anatomische Analysen, elektrophysiologische Techniken und Modellierungsansätze.

Gilles Laurent betrachtet das Gehirn als selbstorganisiertes, dynamisches System, das im Laufe der Evolution eine Vielzahl von Lösungen für übergreifende biologische Probleme gefunden hat. Um den potenziellen Grundprinzipien der Berechnungen im Hirn auf die Spur zu kommen, hat er sich mit verschiedenen Fragestellungen in unterschiedlichen Modellorganismen, wie Heuschrecken, Fruchtfliegen, Zebrafischen, Echsen oder Sepien beschäftigt.

So konnte er beispielsweise zeigen, dass Gerüche zunächst nicht durch einzelne Neuronen, sondern durch zeitabhängige Aktivitätsmuster großer Zellverbände repräsentiert werden. Informationen finden sich somit in Mustern, die sich im neuronalen Raum und der Zeit verändern. Seine Forschungsgruppe beschrieb diese Muster als Bewegungen auf niedrigdimensionalen Flächen, sogenannten Manifolds, innerhalb hochdimensionaler neuronaler Zustandsräume. Manifolds lassen sich als geometrische Flächen beschreiben, auf denen sich die Aktivität vieler Neuronen in vereinfachter Form abbilden lässt. Auch wenn das Gehirn Milliarden verschiedene Zustände annehmen kann, verlaufen die tatsächlich auftretenden Aktivitätsmuster entlang solcher niedrigdimensionalen Bahnen wie Bewegungen auf einem unsichtbaren topologischen Terrain.

Gilles Laurent interessiert sich auch für die Strukturen des Schlafs. Studien an Reptilien zeigten wechselnde Zustände, die entweder dem Tiefschlaf oder dem Rapid Eye Movement (REM)-Schlaf, einer Phase intensiver Träume, ähneln. Laurent entdeckte, dass diese Phasen von gepaarten neuronalen Netzwerken gesteuert werden, die rhythmisch wie gekoppelte interne Metronome funktionieren. Mit seiner Forschung an kleinen und evolutionär älteren Gehirnen möchte er Konzepte und Prinzipien identifizieren, die auch auf das menschliche Gehirn zutreffen.

Aus einer vergleichenden und evolutionären Perspektive suchen Neuroethologen nach universellen Prinzipien, die sich in unterschiedlichen Gehirnarchitekturen wiederfinden. Seine Forschungsgruppe konnte zeigen, dass viele Strukturen des Säugetiergehirns, inklusive des zerebralen Kortex und des Hippocampus, evolutionäre Wurzeln in der gemeinsamen Abstammungslinie von Reptilien und Säugern haben. Eine von seinem Team durchgeführte Studie nutzte die Einzelzell-Transkriptomik, um nachzuweisen, dass grundlegende Elemente des zerebralen Kortex wesentlich älter sind als bisher angenommen. Mit diesen Methoden werden die aktiven Gene einzelner Nervenzellen erkannt, so dass sich ein molekulares Profil für jedes Neuron erstellen lässt. Gilles Laurents Forschung hat die Sichtweise auf die Evolution des Gehirns verändert – von einer auf Säugetiere ausgerichteten Perspektive hin zu einer, die auf einer tief verankerten biologischen Intelligenz basiert.

Sein integrativer Ansatz zeigt sich auch in seiner Forschung an Cephalopoden. So konnte er aufzeigen, dass Sepien visuelle Texturen dynamisch und kontextabhängig verarbeiten und nicht einfach reflexartig. Pigmentzellen reagieren gruppenweise und koordiniert auf räumliche Frequenzen und repräsentieren die neuronale Verarbeitung im Gehirn.

Gilles Laurents Arbeit zeigt, dass Größe keine Voraussetzung für Komplexität ist. Selbst kleine, evolutionär alte Gehirne nutzen viele der gleichen Prinzipien wie das menschliche Gehirn, darunter Synchronisation, Rückkopplung und rhythmische Dynamik. Er hat unser Verständnis der Gehirnfunktion und -evolution grundlegend erweitert. Denken, Wahrnehmung und Verhalten sind nicht als plötzliche Innovationen entstanden. Vielmehr sind sie das Ergebnis einer langen, komplexen Geschichte der neuronalen Selbstorganisation.