Multimodal integration on subcellular level in single neurons
Final Report Abstract
Multisensorische Integration, d.h. die gleichzeitige Verarbeitung von verschiedenen sensorischen Modalitäten wie Sehen oder Hören, hilft, auf relevante Reize schneller und zuverlässiger zu reagieren selbst bei kaum wahrnehmbaren Einzelreizen. Das optische Tektum bei Hühnern, vergleichbar mit den Colliculi superiores bei Säugern, ist ein Teil des Mittelhirns, in dem verschiedene sensorische Informationen zu einer multimodalen Raumkarte zusammengefasst werden. Wie dies auf der Ebene der einzelnen Zelle geschieht, war bisher unklar und wurde in diesem Projekt am Beispiel der Shepherd´s Crook Nervenzellen (SCN) untersucht. SCN sind Nervenzellen mit getrennten dendritischen Arealen, die in Bereichen der retinalen Eingänge oder in Bereichen der auditorischen Eingänge liegen. Des Weiteren sind sie die einzigen Projektionsneurone zu den Isthmischen Kernen, in denen Neurone auf beide Modalitäten reagieren. In diesem Projekt wurde dieser Zelltyp hinsichtlich der genauen Anatomie untersucht sowie die Verarbeitungskapazität dieser Nervenzelle mit anatomischen und physiologischen Methoden in Hirnschnitten sowie einem Modell getestet. Wir konnten mittels Immunhistochemie gegen Strukturproteine und Ionenkanäle bestätigen, dass der für SCN charakteristische Neurit, der vom apikalen retinorezipienten Dendriten abzweigt, das Axon ist. An der Basis des Axons befindet sich der Axonhügel nachgewiesen durch eine hohe Dichte an NaV1.6 Kanälen und AnkyrinG. Weitere Natriumkanäle in geringerer Dichte sowie spannungsgesteuerte Kaliumkanäle befinden sich am Soma sowie am Abschnitt zwischen Soma und Axonabgang. Basierend auf den immunhistochemischen Daten sowie der Morphologie wurde ein Multikompartiment Model erstellt. Dieses Modell reagiert auf Aktivierung einzelner Dendriten, zeigt jedoch bei kombinierter Aktivierung eine erhöhte Aktionspotentialfrequenz, die über der Summe der Einzelreaktionen liegt. Eine zeitlich frühere Aktivierung der basalen (auditorischen) Dendriten führt hierbei zu einer stärkeren Gesamtantwort. Dies ist biologisch plausibel, da die auditorische Information das Tektum in Abhängigkeit der Signalquelle bis zu ~80ms früher erreichen kann. In Patch-Clamp- und Imagingversuchen (hybrid voltage sensor imaging; hVoS) konnten wir die glutamaterge Aktivierung der einzelnen dendritischen Areale sowie eine Verstärkung bzw. eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Antwort durch simultane Stimulation bestätigen. Versuche zur Signalausbreitung mittels hVoS zeigen ebenfalls, dass Aktionspotentiale unabhängig vom Stimulationsort apikal vom Soma und somit vermutlich am Axonhügel des Axonabgangs generiert werden. Zusammenfassend wurde in diesem Projekt gezeigt, dass die Shepherd´s Crook Nervenzellen die passende Morphologie sowie physiologische Eigenschaften haben, um verschiedene sensorische Informationen zu integrieren und in eine verstärkte Antwort umzuwandeln.
Publications
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Expression patterns of NF200, Nav1.6, Ankyrin G and related proteins in an multimodal cell type of the avian optic tectum; Meeting of the Society for Neuroscience, 2016
Lischka, K., Ladel, S., Luksch, H. & Weigel, S.
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(2017). Expression patterns of ion channels and structural proteins in a multimodal cell type of the avian optic tectum. The Journal of Comparative Neurology, 526(3), 412–424
Lischka, K., Ladel, S., Luksch, H., & Weigel, S.
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A multi-compartment model based on expression patterns of structural and ion channel proteins in a multimodal cell type of the avian optic tectum; 110. Jahrestagung der Deutschen Zoologischen Gesellschaft, 2017
Lischka, K., Künzel, T., Luksch, H. & Weigel, S.
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Effect of early eye removal on the morphology of a multisensory neuron in the chicken optic tectum; 12th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, 2017
Weigel, S., Lischka, K., Yan, J. & Luksch, H.
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(2018). Effects of early eye removal on the morphology of a multisensory neuron in the chicken optic tectum. Brain Research, 1691, 9–14
Lischka, K., Yan, J., Weigel, S., & Luksch, H.
