Olfaktorische Kontrolle der langreichweitigen Kopplung innerhalb unreifer präfrontal-hippokampal-entorhinaler Netzwerke

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ileana L. Hanganu-Opatz; Professor Dr. Marc Spehr
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 302153259

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Während Sinneswahrnehmungen und deren kognitive Verarbeitung ständige Forschungsthemen in den Neurowissenschaften sind, wurden sie bisher nur selten synergetisch untersucht. Obwohl die kognitive Leistung nur durch ständige Interaktionen mit der Umwelt maximiert werden kann, wurde der Beitrag sensorischer Reize zur kognitiven Verarbeitung bisher weitgehend vernachlässigt. Dies wird besonders deutlich, wenn man die Ontogenese und Reifung limbischer Schaltkreise betrachtet, die für Gedächtnis und exekutive Fähigkeiten verantwortlich sind. Jahrzehntelang wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Prinzipien der Maturierung sensorischer Systeme zu verstehen, indem die Bedeutung molekularer Signale, spontaner elektrischer Aktivität sowie Erfahrung priorisiert wurde. In jüngerer Zeit wurden zudem komplexe Wechselwirkungen aufgeklärt, die die Verschaltung von gedächtnisrelevanten Schaltkreisen während der Entwicklung bestimmen. Die meist getrennte Untersuchung der sensorischen und kognitiven Ontogenese ergibt sich aus der Beobachtung, dass die meisten sensorischen Systeme in frühen Lebensstadien deutlich unterentwickelt sind. Neonatale Nagetiere beispielsweise sind blind und taub, nutzen keine Schnurrhaare für die Wahrnehmung taktiler Reize und verfügen in den ersten Lebenstagen nur über begrenzte motorische Fähigkeiten. Daher wurde der Beitrag sensorischer Eingänge zur limbischen Ontogenese als vernachlässigbar angesehen wird. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet das Geruchssystem, das während des intrauterinen Lebens seine volle Reife erlangt und die Interaktionen zwischen Mutter und Nachwuchs steuert und möglicherweise die limbische Entwicklung beeinflusst. Ob frühe olfaktorische Stimulation tatsächlich die Entwicklung limbischer Netzwerke steuert, war bisher jedoch nicht bekannt. Ziel unseres gemeinsamen Forschungsprojekts war es daher, die strukturellen und funktionellen Prinzipien zu verstehen, die der Konnektivität und Kommunikation innerhalb des Haupt- und des akzessorischen Riechkolbens (MOB bzw. AOB) und insbesondere zwischen dem olfaktorischen Bulbus (OB) und dem olfaktorischen Kortex zugrunde liegen, insbesondere dem lateralen entorhinalen Kortex (LEC), dem Tor zu limbischen Schaltkreisen, die sich während der neonatalen und juvenilen Entwicklung auf den Hippocampus und den präfrontalen Kortex konzentrieren. Um unsere Hypothesen zu überprüfen, untersuchen wir die Verdrahtung und die Feuerprinzipien innerhalb des MOB und des AOB, den ersten Verarbeitungsstufen von olfaktorischen Eingaben, sowie zwischen OB und LEC. Unsere Forschungsergebnisse zeigen mehrere Schlüsselmerkmale der M/AOB-Physiologie und insbesondere die Existenz substantieller OB-zu- LEC-Kommunikation bei Mäusen während der ersten und zweiten postnatalen Woche. Spezifisch konnten wir zeigen, dass spontan erzeugte Muster elektrischer OB-Aktivität die entorhinalen Schaltkreise über mono- und polysynaptische axonale Projektionen stimulieren. Die OB-to-LEC-Aktivität wird durch olfaktorische Reize verstärkt und durch chronische olfaktorische Läsionen gestört. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass sowohl spontane, als auch durch Reize hervorgerufene OB-Aktivität die Reifung des neuronalen Netzwerks im LEC steuert.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.5281/zenodo.14636993

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Topology-Related Metrics and Applications for the Design and Operation of Wireless Sensor Networks. ACM Transactions on Sensor Networks, 10(3), 1-35.
  Ramos, Heitor S.; Frery, Alejandro C.; Boukerche, Azzedine; Oliveira, Eduardo M. R. & Loureiro, Antonio A. F.
  
• Interdependent Conductances Drive Infraslow Intrinsic Rhythmogenesis in a Subset of Accessory Olfactory Bulb Projection Neurons. The Journal of Neuroscience, 36(11), 3127-3144.
  Gorin, Monika; Tsitoura, Chryssanthi; Kahan, Anat; Watznauer, Katja; Drose, Daniela R.; Arts, Martijn; Mathar, Rudolf; O.'Connor, Simon; Hanganu-Opatz, Ileana L.; Ben-Shaul, Yoram & Spehr, Marc
  
• Bursting mitral cells time the oscillatory coupling between olfactory bulb and entorhinal networks in neonatal mice. The Journal of Physiology, 598(24), 5753-5769.
  Kostka, Johanna K.; Gretenkord, Sabine; Spehr, Marc & Hanganu‐Opatz, Ileana L.
  
• Gamma activity accelerates during prefrontal development. eLife, 9.
  Bitzenhofer, Sebastian H.; Pöpplau, Jastyn A. & Hanganu-Opatz, Ileana
  
• Synchronous Infra-Slow Oscillations Organize Ensembles of Accessory Olfactory Bulb Projection Neurons into Distinct Microcircuits. The Journal of Neuroscience, 40(21), 4203-4218.
  Tsitoura, Chryssanthi; Malinowski, Sebastian T.; Mohrhardt, Julia; Degen, Rudolf; DiBenedictis, Brett T.; Gao, Yuan; Watznauer, Katja; Gerhold, Kira; Nagel, Maximilian; Weber, Monika; Rothermel, Markus; Hanganu-Opatz, Ileana L.; Ben-Shaul, Yoram; Davison, Ian G. & Spehr, Marc
  
• Sparser and Less Efficient Hippocampal-Prefrontal Projections account for Developmental Network Dysfunction in a Model of Psychiatric Risk Mediated by Gene-Environment Interaction. The Journal of Neuroscience, 42(4), 601-618.
  Song, Lingzhen; Xu, Xiaxia; Putthoff, Peggy; Fleck, David; Spehr, Marc & Hanganu-Opatz, Ileana L.
  
• Systems neuroscience: A box full of tools to illuminate the black box of the brain. PLOS Biology, 21(7), e3002221.
  Wiegert, J. Simon; Spehr, Marc & Hanganu-Opatz, Ileana L.