SFB 870: Bildung und Funktion neuronaler Schaltkreise in sensorischen Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In allen drei Förderperioden bestand das übergreifende Ziel des CRC 870 Assembly and Function of Neuronal Circuits darin, eine grundlegende Lücke in unserem Wissen über Gehirne und Gehirnfunktionen zu schließen: auf der einen Seite das weitgehend mechanistisches Verständnis der biophysikalischen Eigenschaften einzelner Zellen, der synaptischen Funktion, der synaptischen Integration und der Erzeugung von Aktionspotenzialen, auf der anderen Seite ein weitgehend deskriptives und meist korrelierendes Wissen über komplexe Funktionen von neuronalen Netzwerken und Gehirnstrukturen höherer Ordnung (Verhalten, Wahrnehmung usw.). Eine Fokussierung auf die Struktur-Funktions-Beziehung sensorischer und motorischer Schaltkreise mit überschaubarer Komplexität und bekannter Funktion bildete hierzu den übergreifenden konzeptionellen Rahmen. Dies erlaubte einen weitgehend hypothesengeleiteten wissenschaftlichen Ansatz, der das mechanistische Verständnis der Entwicklung und Plastizität dieser Schaltkreise, sowie der von ihnen durchgeführten neuronalen Operationen („computations“) in den Mittelpunkt des Interesses stellte. Der Ansatz sollte durchaus auch ein Gegengewicht zu der zunehmenden Zahl von Screening-Ansätzen bilden. Der CRC 870 war in drei Projektcluster gegliedert, wobei sich Projekte des A-Clusters auf den Aufbau und die Plastizität neuronaler Schaltkreise konzentrierten, Projekte des B-Clusters auf sensorische und sensomotorische Funktionen, Z-Projekte auf die Entwicklung neuer experimenteller Werkzeuge und deren Implementierung im Konsortium. Im Laufe der Förderperioden rückte die Erforschung der sensomotorischen Verarbeitung, der Aktionspotentialgenerierung und der axonalen Übertragung, der Myelinisierung, der Reprogrammierung und der Regeneration in den untersuchten Schaltkreisen in den Vordergrund, während in der dritten Förderperiode durch die Kombination von Bottom-up- und Topdown-Ansätzen der Forschungsschwerpunkt auf die Dynamik und Kontextabhängigkeit der neuronalen Verarbeitung erweitert wurde. So wurden viele Schaltkreise mit bisher nicht gekannter Tiefe beschrieben, und neue Funktionsprinzipen durch ein enges Wechselspiel von auf experimentell erhobenen Daten basierenden Modellen und daraus folgenden, hypothesengetriebenen Experimenten erkannt. Dass diese Herangehensweise tatsächlich dazu beigetragen hat die Lücke zwischen den oben genannten Ebenen der Betrachtung (basal mechanistisch vs. komplex beschreibend) zu verkleinern und teilweise sogar zu überbrücken, belegen beispielsweise neue Entdeckungen des Konsortiums zur Dynamik der sensorischen Verarbeitung („computations“) die wiederum zu neuen und bisher unerwarteten Vorhersagen zur Wahrnehmung führten. Letztere konnten dann psychophysisch, auch für den Menschen, bestätigt werden konnten. In den Projekten wurde ein breites Spektrum von Modellorganismen und Techniken eingesetzt (an Drosophila, Zebrafisch, Maus, Wüstenrennmaus, Ratte, genetisch manipulierten Tieren, inklusive psychophysikalischer Tests an Menschen), und mehrere sensorische Systeme (olfaktorische, auditive, visuelle und vestibuläre Bahnen) mittels modernster und teilweise neu entwickelter Methoden zur Schaltkreisanalyse untersucht. Das Konsortium hat mehr als 300 Originalpublikationen veröffentlicht, mehr als die Hälfte davon in den renommiertesten Fachzeitschriften.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Biocompatibility of a genetically encoded calcium indicator in a transgenic mouse model. Nature Communications, 3(1).
Direnberger, Stephan; Mues, Marsilius; Micale, Vincenzo; Wotjak, Carsten T.; Dietzel, Steffen; Schubert, Michael; Scharr, Andreas; Hassan, Sami; Wahl-Schott, Christian; Biel, Martin; Krishnamoorthy, Gurumoorthy & Griesbeck, Oliver
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Gaze Stabilization by Efference Copy Signaling without Sensory Feedback during Vertebrate Locomotion. Current Biology, 22(18), 1649-1658.
Lambert, François M.; Combes, Denis; Simmers, John & Straka, Hans
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A directional tuning map of Drosophila elementary motion detectors. Nature, 500(7461), 212-216.
Maisak, Matthew S.; Haag, Juergen; Ammer, Georg; Serbe, Etienne; Meier, Matthias; Leonhardt, Aljoscha; Schilling, Tabea; Bahl, Armin; Rubin, Gerald M.; Nern, Aljoscha; Dickson, Barry J.; Reiff, Dierk F.; Hopp, Elisabeth & Borst, Alexander
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Adaptation in sound localization: from GABAB receptor–mediated synaptic modulation to perception. Nature Neuroscience, 16(12), 1840-1847.
Stange, Annette; Myoga, Michael H.; Lingner, Andrea; Ford, Marc C.; Alexandrova, Olga; Felmy, Felix; Pecka, Michael; Siveke, Ida & Grothe, Benedikt
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Function of Dendritic Spines on Hippocampal Inhibitory Neurons. Cerebral Cortex, 24(12), 3142-3153.
Scheuss, V. & Bonhoeffer, T.
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Trnp1 Regulates Expansion and Folding of the Mammalian Cerebral Cortex by Control of Radial Glial Fate. Cell, 153(3), 535-549.
Stahl, Ronny; Walcher, Tessa; De Juan, Romero Camino; Pilz, Gregor Alexander; Cappello, Silvia; Irmler, Martin; Sanz-Aquela, José Miguel; Beckers, Johannes; Blum, Robert; Borrell, Víctor & Götz, Magdalena
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Glycinergic inhibition tunes coincidence detection in the auditory brainstem. Nature Communications, 5(1).
Myoga, Michael H.; Lehnert, Simon; Leibold, Christian; Felmy, Felix & Grothe, Benedikt
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Multiparametric optical analysis of mitochondrial redox signals during neuronal physiology and pathology in vivo. Nature Medicine, 20(5), 555-560.
Breckwoldt, Michael O.; Pfister, Franz M. J.; Bradley, Peter M.; Marinković, Petar; Williams, Philip R.; Brill, Monika S.; Plomer, Barbara; Schmalz, Anja; St Clair, Daret K.; Naumann, Ronald; Griesbeck, Oliver; Schwarzländer, Markus; Godinho, Leanne; Bareyre, Florence M.; Dick, Tobias P.; Kerschensteiner, Martin & Misgeld, Thomas
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NMDA Receptor-Dependent Multidendrite Ca 2+ Spikes Required for Hippocampal Burst Firing In Vivo. Neuron, 81(6), 1274-1281.
Grienberger, Christine; Chen, Xiaowei & Konnerth, Arthur
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STIM1 Controls Neuronal Ca2+ Signaling, mGluR1-Dependent Synaptic Transmission, and Cerebellar Motor Behavior. Neuron, 82(3), 635-644.
Hartmann, Jana; Karl, Rosa M.; Alexander, Ryan P.D.; Adelsberger, Helmuth; Brill, Monika S.; Rühlmann, Charlotta; Ansel, Anna; Sakimura, Kenji; Baba, Yoshihiro; Kurosaki, Tomohiro; Misgeld, Thomas & Konnerth, Arthur
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A Higher Brain Circuit for Immediate Integration of Conflicting Sensory Information in Drosophila. Current Biology, 25(17), 2203-2214.
Lewis, Laurence P.C.; Siju, K.P.; Aso, Yoshinori; Friedrich, Anja B.; Bulteel, Alexander J.B.; Rubin, Gerald M. & Grunwald, Kadow Ilona C.
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Activity-Dependent Transmission and Integration Control the Timescales of Auditory Processing at an Inhibitory Synapse. Current Biology, 25(12), 1562-1572.
Ammer, Julian. J.; Siveke, Ida & Felmy, Felix
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Live imaging of adult neural stem cell behavior in the intact and injured zebrafish brain. Science, 348(6236), 789-793.
Barbosa, Joana S.; Sanchez-Gonzalez, Rosario; Di Giaimo, Rossella; Baumgart, Emily Violette; Theis, Fabian J.; Götz, Magdalena & Ninkovic, Jovica
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Neural Circuit to Integrate Opposing Motions in the Visual Field. Cell, 162(2), 351-362.
Mauss, Alex S.; Pankova, Katarina; Arenz, Alexander; Nern, Aljoscha; Rubin, Gerald M. & Borst, Alexander
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Spinal corollary discharge modulates motion sensing during vertebrate locomotion. Nature Communications, 6(1).
Chagnaud, Boris P.; Banchi, Roberto; Simmers, John & Straka, Hans
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Tuning of Ranvier node and internode properties in myelinated axons to adjust action potential timing. Nature Communications, 6(1).
Ford, Marc C.; Alexandrova, Olga; Cossell, Lee; Stange-Marten, Annette; Sinclair, James; Kopp-Scheinpflug, Conny; Pecka, Michael; Attwell, David & Grothe, Benedikt
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Cell-specific restoration of stimulus preference after monocular deprivation in the visual cortex. Science, 352(6291), 1319-1322.
Rose, Tobias; Jaepel, Juliane; Hübener, Mark & Bonhoeffer, Tobias
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Comprehensive Characterization of the Major Presynaptic Elements to the Drosophila OFF Motion Detector. Neuron, 89(4), 829-841.
Serbe, Etienne; Meier, Matthias; Leonhardt, Aljoscha & Borst, Alexander
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Feeding State Modulates Behavioral Choice and Processing of Prey Stimuli in the Zebrafish Tectum. Neuron, 90(3), 596-608.
Filosa, Alessandro; Barker, Alison J.; Dal Maschio, Marco & Baier, Herwig
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G gene-deficient single-round rabies viruses for neuronal circuit analysis. Virus Research, 216, 41-54.
Ghanem, Alexander & Conzelmann, Karl-Klaus
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Quantifying macromolecular interactions in living cells using FRET two-hybrid assays. Nature Protocols, 11(12), 2470-2498.
Butz, Elisabeth S.; Ben-Johny, Manu; Shen, Michael; Yang, Philemon S.; Sang, Lingjie; Biel, Martin; Yue, David T. & Wahl-Schott, Christian
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Single-cell in vivo imaging of adult neural stem cells in the zebrafish telencephalon. Nature Protocols, 11(8), 1360-1370.
Barbosa, Joana S.; Di Giaimo, Rossella; Götz, Magdalena & Ninkovic, Jovica
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Transplanted embryonic neurons integrate into adult neocortical circuits. Nature, 539(7628), 248-253.
Falkner, Susanne; Grade, Sofia; Dimou, Leda; Conzelmann, Karl-Klaus; Bonhoeffer, Tobias; Götz, Magdalena & Hübener, Mark
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Input timing for spatial processing is precisely tuned via constant synaptic delays and myelination patterns in the auditory brainstem. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(24).
Stange-Marten, Annette; Nabel, Alisha L.; Sinclair, James L.; Fischl, Matthew; Alexandrova, Olga; Wohlfrom, Hilde; Kopp-Scheinpflug, Conny; Pecka, Michael & Grothe, Benedikt
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Lateral geniculate neurons projecting to primary visual cortex show ocular dominance plasticity in adult mice. Nature Neuroscience, 20(12), 1708-1714.
Jaepel, Juliane; Hübener, Mark; Bonhoeffer, Tobias & Rose, Tobias
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Linking Neurons to Network Function and Behavior by Two-Photon Holographic Optogenetics and Volumetric Imaging. Neuron, 94(4), 774-789.e5.
dal Maschio, Marco; Donovan, Joseph C.; Helmbrecht, Thomas O. & Baier, Herwig
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Uncoupling of neurogenesis and differentiation during retinal development. The EMBO Journal, 36(9), 1134-1146.
Engerer, Peter; Suzuki, Sachihiro C.; Yoshimatsu, Takeshi; Chapouton, Prisca; Obeng, Nancy; Odermatt, Benjamin; Williams, Philip R.; Misgeld, Thomas & Godinho, Leanne
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A biophysical mechanism for preferred direction enhancement in fly motion vision. PLOS Computational Biology, 14(6), e1006240.
Borst, Alexander
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A novel concept for dynamic adjustment of auditory space. Scientific Reports, 8(1).
Lingner, A.; Pecka, M.; Leibold, C. & Grothe, B.
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High-yield in vitro recordings from neurons functionally characterized in vivo. Nature Protocols, 13(6), 1275-1293.
Weiler, Simon; Bauer, Joel; Hübener, Mark; Bonhoeffer, Tobias; Rose, Tobias & Scheuss, Volker
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Precisely timed inhibition facilitates action potential firing for spatial coding in the auditory brainstem. Nature Communications, 9(1).
Beiderbeck, Barbara; Myoga, Michael H.; Müller, Nicolas I. C.; Callan, Alexander R.; Friauf, Eckhard; Grothe, Benedikt & Pecka, Michael
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A Neural Circuit Arbitrates between Persistence and Withdrawal in Hungry Drosophila. Neuron, 104(3), 544-558.e6.
Sayin, Sercan; De Backer, Jean-Francois; Siju, K.P.; Wosniack, Marina E.; Lewis, Laurence P.; Frisch, Lisa-Marie; Gansen, Benedikt; Schlegel, Philipp; Edmondson-Stait, Amelia; Sharifi, Nadiya; Fisher, Corey B.; Calle-Schuler, Steven A.; Lauritzen, J. Scott; Bock, Davi D.; Costa, Marta; Jefferis, Gregory S.X.E.; Gjorgjieva, Julijana & Grunwald, Kadow Ilona C.
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Cooperative population coding facilitates efficient sound-source separability by adaptation to input statistics. PLOS Biology, 17(7), e3000150.
Gleiss, Helge; Encke, Jörg; Lingner, Andrea; Jennings, Todd R.; Brosel, Sonja; Kunz, Lars; Grothe, Benedikt & Pecka, Michael
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Inducing Different Neuronal Subtypes from Astrocytes in the Injured Mouse Cerebral Cortex. Neuron, 103(6), 1086-1095.e5.
Mattugini, Nicola; Bocchi, Riccardo; Scheuss, Volker; Russo, Gianluca Luigi; Torper, Olof; Lao, Chu Lan & Götz, Magdalena
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Two types of functionally distinct Ca2+ stores in hippocampal neurons. Nature Communications, 10(1).
Chen-Engerer, Hsing-Jung; Hartmann, Jana; Karl, Rosa Maria; Yang, Jun; Feske, Stefan & Konnerth, Arthur
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Corticothalamic feedback sculpts visual spatial integration in mouse thalamus. Nature Neuroscience, 24(12), 1711-1720.
Born, Gregory; Schneider-Soupiadis, Felix A.; Erisken, Sinem; Vaiceliunaite, Agne; Lao, Chu Lan; Mobarhan, Milad H.; Spacek, Martin A.; Einevoll, Gaute T. & Busse, Laura
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Mouse prefrontal cortex represents learned rules for categorization. Nature, 593(7859), 411-417.
Reinert, Sandra; Hübener, Mark; Bonhoeffer, Tobias & Goltstein, Pieter M.
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Neural circuitry for stimulus selection in the zebrafish visual system. Neuron, 109(5), 805-822.e6.
Fernandes, António M.; Mearns, Duncan S.; Donovan, Joseph C.; Larsch, Johannes; Helmbrecht, Thomas O.; Kölsch, Yvonne; Laurell, Eva; Kawakami, Koichi; dal Maschio, Marco & Baier, Herwig
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Oligodendrocyte precursor cells sculpt the visual system by regulating axonal remodeling. Nature Neuroscience, 25(3), 280-284.
Xiao, Yan; Petrucco, Luigi; Hoodless, Laura J.; Portugues, Ruben & Czopka, Tim
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Orientation and direction tuning align with dendritic morphology and spatial connectivity in mouse visual cortex. Current Biology, 32(8), 1743-1753.e7.
Weiler, Simon; Guggiana, Nilo Drago; Bonhoeffer, Tobias; Hübener, Mark; Rose, Tobias & Scheuss, Volker
