Multimodale Integration in extraokulären Motoneuronen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Glasauer; Professor Dr. Hans Straka (†)
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274915083

Kontinuierliche, präzise visuelle Wahrnehmung ist essentiell für die Fortbewegung im Raum. Die Aufrechterhaltung der Sehschärfe wird durch dynamische Augen-Kopfbewegungen gewährleistet, die durch multisensorische Signale und lokomotorische Efferenzkopien ausgelöst werden. Als letztes neuronales Element des motorischen Ausgangs für blickstabilisierende Augenbewegungen spielen extraokuläre Motoneurone eine Schlüsselrolle für die Signalintegration. In diesem Antrag wird mittels experimentellen und theoretischen Ansatzes untersucht wie multimodale Signale in einzelnen Motoneuronen kombiniert werden um funktionell angepasste motorische Kommandos als Ausdruck einer Entscheidungsfindung in Einzelzellen zu erzeugen. Entsprechend werden in Ziel 1) morpho-physiologische Eigenschaften extraokulärer Motoneurone bestimmt um die intrinsische dynamische Bandbreite der neuronalen Operationen als Kernelement der Signalintegration zu verstehen. In Ziel 2) wird die Interaktion und Plastizität multisensorischer (visuo-vestibulärer) und lokomotorischer Efferenzkopiesignale in extraokulären Motoneuronen während aktiver und passiver Bewegung untersucht. Dabei werden die experimentellen Projektziele wechselseitig durch einen theoretischen Ansatz vervollständigt mit dessen Hilfe die zugrundeliegende neuronale Verarbeitung mathematisch formuliert werden kann. Deshalb wird in Ziel 3) ein Computermodell erstellt, das die mechanistischen Prinzipien der multimodalen Signalintegration in Motoneuronen beschreibt. Dieses Modell beruht auf dem Konzept sensorischer Signalfusion in einem probabilistischen Netzwerk als zugrunde liegendem Mechanismus für optimale Blickstabilisierung. Die Studie wird an Xenopus laevis Kaulquappen durchgeführt, deren Organisation ausgezeichneten experimentellen Zugang zu allen relevanten senso-motorischen Strukturen für physiologische Ableitungen, bildgebende Verfahren und Verhaltensanalysen erlaubt. Die spontane lokomotorische Aktivität in semi-intakten Präparaten dieses Tiermodells sowie die intakte Sensorik erlaubt natürliche sensorische Reize und intrinsische motorische Efferenzkopiesignale variabel zu kombinieren. Die komplementäre experimentelle/theoretische neurowissenschaftliche Expertise der beiden Antragsteller ist dabei sehr gut geeignet den zugrunde liegenden biologischen Algorithmus und seine Implementierung auf Einzelzell- und Zellpopulationsebene zu entschlüsseln. Eine mögliche funktionelle Unterteilung von Motoneuronen mit unterschiedlichen Membraneigenschaften könnte erklären, wie ein jeweils spezifisches Verarbeitungsvermögen das räumlich/dynamische Signalmuster des motorischen Kommandos auf zellulärer Ebene bestimmt. Die zu erwartenden Ergebnisse werden dementsprechend zeigen wie extraokuläre Motoneurone aus multimodalen Signalen ein adäquates Aktivitätsmuster für die Blickstabilisierung konstruieren und wie die zugrunde liegenden Mechanismen in einem mathematischen Modell auf Einzelzellebene formalisiert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen