Hoogleraar
Computationeel neurobiologisch laboratorium
Integratief Biologisch Laboratorium
Edwin K. Hunter-stoel
Het laboratorium van Tatyana Sharpee probeert te begrijpen hoe de hersenen en andere biologische systemen werken terwijl hun componenten voortdurend veranderen. Als een baby bijvoorbeeld groeit, worden er nieuwe neuronen aan circuits toegevoegd. Tijdens de volwassenheid worden verbindingen tussen neuronen voortdurend toegevoegd en verwijderd naarmate we nieuwe vaardigheden en informatie leren. Naarmate we ouder worden, beginnen we een deel van de functionaliteit van deze verbindingen te verliezen. Ondanks deze veranderingen behouden we een constant gevoel van eigenwaarde en kunnen we gebeurtenissen tientallen jaren onthouden. Zelfs binnen individuele neuronen worden eiwitten constant bijgewerkt, maar toch wordt de juiste balans bereikt om ervoor te zorgen dat ze de juiste signalen doorgeven. Desalniettemin behouden we hetzelfde gevoel van 'zelf' en kunnen we gebeurtenissen tientallen jaren onthouden. Om het probleem verder te verergeren, verandert de omgeving waarin de hersenen werken voortdurend, dus werken Sharpee en collega's aan het begrijpen van optimale signalen waar de hersenen aandacht aan moeten besteden in de omgeving, en aan het begrijpen van optimale voorschriften voor aanpassing aan veranderingen in de omgeving.
Tatyana Sharpee gebruikt geavanceerde methoden uit de wiskunde, statistiek en natuurkunde om de principes in kaart te brengen waarmee de miljarden neuronen in de hersenen energie en informatie uitwisselen. In het bijzonder gebruikt ze informatietheorie (een reeks wiskundige concepten die vaak worden gebruikt in communicatie- en financiële systemen) om de activiteit van neuronen te kwantificeren en, in een bepaald onderzoeksgebied, probeert ze te bepalen hoe functies zijn georganiseerd in delen van de hersenen die verantwoordelijk zijn voor voor het overbrengen van onze zintuigen, waaronder zicht, gehoor en reukzin. Het onthullen van de werking van deze kernzintuigen zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen en hersenmachine-interfaces voor patiënten met verstoringen van deze systemen die kunnen optreden als gevolg van een beroerte, dementie of schizofrenie. Bovendien gebruiken Sharpee en haar groep verstoringen in sensorische systemen als diagnostische hulpmiddelen om nieuwe behandelingen te vinden voor een aantal neurologische aandoeningen die de hersenen in bredere zin aantasten, waaronder autisme, de ziekte van Alzheimer, schizofrenie, depressie en angst.
De groep van Sharpee onthulde een nieuwe manier om geuren en het reukvermogen te organiseren. Ze ontdekten dat geuren uit de natuurlijke omgeving kunnen worden beschreven door een gebogen oppervlak, vergelijkbaar met een aardappelchip van Pringle, en waarvan wiskundig bekend is dat het een hyperbolische metriek heeft. Ze ontdekten ook dat onze perceptie van geur op dezelfde manier is georganiseerd, op een manier die een nauwkeurige schatting van het fruitgehalte op basis van geuren mogelijk maakt.
Sharpee ontwikkelde een beknopt schema voor hoe visuele neuronen selectiviteit kunnen combineren met vormen en texturen van visuele objecten.
Sharpee en medewerkers hebben een theorie ontwikkeld die verklaart wanneer het voordelig wordt voor een organisme om nieuwe soorten neuronen te gebruiken. Deze theorie zou kunnen helpen bij het catalogiseren en bepalen van het aantal afzonderlijke neuronale typen in de hersenen. Uitbreidingen van deze theorie maken het mogelijk om te berekenen hoeveel informatie grote aantallen neuronen gezamenlijk overbrengen over inkomende stimuli. Voorheen was dit alleen mogelijk voor een paar neuronen, en nu kan de methode de capaciteit bijhouden van experimentele methoden die duizenden neuronen tegelijkertijd registreren.
MS, Natuurkunde, Nationale Universiteit van Oekraïne, Kiev, Oekraïne
PhD, natuurkunde, Michigan State University
Sloan-Swartz Postdoctoraal Onderzoeker, Universiteit van Californië, San Francisco
