Intrakortikale Verarbeitung und psychophysische Detektierbarkeit elektrisch evozierter Einzelzell-Aktivität

• Antragsteller: Professor Dr. Maik C. Stüttgen
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315227418

Einer weit verbreiteten Auffassung zufolge leisten einzelne Nervenzellen nur einen vernachlässigbaren Beitrag zur Signalverarbeitung im Gehirn. In den letzten Jahren publizierte Befunde zeigen jedoch, dass die elektrische Aktivierung einer einzelnen kortikalen Zelle die globale Netzwerkaktivität beeinflussen, Bewegungen erzeugen und Empfindungen hervorrufen kann. Die diesen Effekten zugrunde liegenden neuronalen Verarbeitungsprozesse sind allerdings weitgehend unbekannt. In diesem Projektantrag werden zwei Experimente vorgeschlagen, um einem mechanistischen Verständnis dieser Phänomene näherzukommen.Im ersten Experiment soll die Aktivität einzelner Zellen systematisch manipuliert und der daraus resultierende Effekt auf benachbarte Neuronen beobachtet werden. Hierzu werden lineare Multi-Elektroden-Anordnungen in den somatosensorischen Kortex anästhesierter Ratten eingebracht, mit denen neuronale Aktivität in allen kortikalen Schichten kontinuierlich registriert werden kann. Gleichzeitig wird die Aktivität einzelner, benachbarter Zellen mittels Nanostimulation manipuliert. Mit einer neuen Variante der Nanostimulation können einzelnen Zellen beliebige Aktionspotenzial- (AP-) Muster mit hoher zeitlicher Präzision (0.5 ms) aufgezwungen werden. So können AP-Muster, Zelltyp und kortikale Schicht als Determinanten der Stimulationseffektivität untersucht werden.Im zweiten Experiment werden einige der in Experiment 1 untersuchten Aktivitätsmuster an wachen, auf die psychophysische Detektion elektrischer Hirnreizung trainierten Tieren getestet. Es wird erwartet, dass die in Experiment 1 bestimmte Effektivität einer bestimmten Reizkonfiguration (AP-Sequenz, Zelltyp, kortikale Schicht) im Hinblick auf kortikale Netzwerkaktivität eine gute Vorhersage für die psychophysische Detektierbarkeit derselben Konfiguration in Experiment 2 liefert. Die gewonnenen Daten über die raumzeitliche Ausbreitung von Einzelzell-Aktivität geben Aufschluss über intrakortikale Verarbeitungswege und können zur Testung biologisch inspirierter künstlicher neuronaler Netzwerke kortikaler Kolumnen herangezogen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen