Intracortical processing and psychophysical detectability of electrically evoked single-neuron activity
Final Report Abstract
Die grundlegende Fragestellung dieses Projekts bezieht sich auf die Bedeutung eines einzelnen Neurons für die gesamte Verarbeitungsleistung seines kortikalen Moduls. Nach einer weit verbreiteten Auffassung repräsentieren einzelne Neurone Informationen nur unzuverlässig, und daher sollte ihr Einfluss auf kortikale Signalprozessierung nur sehr gering ausfallen. Hingegen haben einige bahnbrechende Studien der letzten 10-15 Jahre gezeigt, dass die elektrische Aktivierung einer einzelnen kortikalen Zelle – unter bestimmten Bedingungen – Bewegungen und Empfindungen hervorrufen und auch einen signifikanten Einfluss auf die globale Netzwerkaktivität ausüben kann. Es ist allerdings unklar, wie diese Effekte einer einzelnen Zelle auf das Netzwerk zustande kommen könnten. In diesem Projekt sollte dieser Frage nachgegangen werden. Hierzu wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der die elektrische Reizung einer einzelnen Zelle bei gleichzeitiger elektrophysiologischer Registrierung der lokalen Netzwerkaktivität mittels Multi-Elektroden-Anordnungen (MEAs) erlaubt. Der Versuchsaufbau erlaubt ferner, die stimulierten Einzelzellen post mortem mittels histologischer Analyse morphologisch zu klassifizieren und einer kortikalen Schicht zuzuordnen. Es gelang, die Effekte der Einzelzellstimulation über Hunderte von Trials auf bis zu 70 Netzwerk-Units gleichzeitig über alle kortikalen Schichten zu beobachten. Es wurden weiterhin verschiedene Reizparameter verwendet. Neben der klassischen dauerhaften Reizung mit einem Rechteckimpuls über 200 ms, wie in früheren Studien verwendet, kam in einem Folgeexperiment die sog. Kurzpuls- Stimulation zum Einsatz, mittels derer einzelnen Nervenzelle bestimmte, frei wählbare Aktivitätsmuster aufgezwungen werden können. Dieses Verfahren erlaubt somit eine Abschätzung des Netzwerkeffekts verschiedener Feuermuster (die sich bspw. hinsichtlich der Zahl der gefeuerten Aktionspotenziale ihrer Frequenz und ihrer Regelmäßigkeit unterscheiden). Erste Ergebnisse deuten überraschenderweise darauf hin, dass die elektrische Aktivierung einer einzelnen kortikalen Zelle im Mittel eher eine Reduktion denn eine Erhöhung der Gesamtaktivität bewirkt. Das Ausmaß der Beeinflussung sowie ihr zeitlicher Verlauf hängen hierbei von unterschiedlichen Parametern ab, beispielsweise von der (vertikalen, d.h. orthogonal zur Kortexoberfläche laufenden) Distanz der beobachteten Zellen zur stimulierten Zelle, sowie der Kopplung der stimulierten Zelle mit den beobachteten Netzwerk-Units. In einem begleitenden psychophysischen Detektionsexperiment mit paralleler Registrierung der neuronalen Netzwerkaktivität zeigte sich u.a., dass v.a. inhibitorische Zellen eine hohe neurometrische Sensitivität aufweisen. Dies passt zu früheren Studien zur Einzelzellstimulation, in denen größere Effekte bei Reizung von Interneuronen verglichen mit exzitatorischen Neuronen beobachtet wurden.
Publications
- (2017) Assessing the Role of Barrel Cortex Parvalbumin-Positive Interneurons in Whisker Detection and Discrimination Behavior. 12th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, 22‐25 March 2017
Benito N, Vandevelde JR, Yang JW, Stüttgen MC, Luhmann HJ
- (2018) Barrel cortex: What is it good for? Neuroscience 368: 3
Stüttgen MC, Schwarz C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2017.05.009) - (2018) Wisdom of the crowd vs. power of the few. 5th rmn2 biennial meeting, June 13-15 2018
Knauer B, Stüttgen MC
- (2019) Assessing the impact of single-cell stimulation on local networks in rat barrel cortex—a feasibility study. International Journal of Molecular Sciences 20: 2604
Knauer B, Stüttgen MC
(See online at https://doi.org/10.3390/ijms20102604) - (2019) Wisdom of the crowd vs. power of the few: An electrophysiological assessment of the impact of individual neurons on local networks. 13th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, 20‐23 March 2019
Knauer B, Stüttgen MC
- (2022) Layer- and cell-type-specific differences in neural activity in mouse barrel cortex during a whisker detection task. Cerebral Cortex
Vandevelde JR, Yang JW, Albrecht S, Lam H, Kaufmann P, Luhmann HJ, Stüttgen MC
(See online at https://doi.org/10.1093/cercor/bhac141) - (2022) Local network effects of single cell stimulation in the somatosensory cortex of anesthetized rats. FENS Forum 2022 in Paris, France, 9-13 July 2022
Knauer B, Stüttgen MC
