Theoretische und experimentelle Untersuchung wie rekurrente und Top-Down-Konnektivität im kortikothalamischen Schaltkreis zu V1-Selektivität führt

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Laura Busse; Professorin Dr. Tatjana Tchumatchenko
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 347205862

Wie werden Berechnungen in neuronalen Netzwerken implementiert? Um dies zu klären, ist es wichtig zu verstehen, welche Rolle die lokale Konnektivität und die Feedback-Schleifen spielen. Unser Projekt kombiniert theoretische und experimentelle Anwendungen, und anhand von Messungen von dem visuellen System wird dessen synaptische Konnektivität abgeleitet und analysiert.Bisher haben wir in vivo Elektrophysiologie benutzt, um die Kontrastempfindlichkeit und Orientierungsselektivität in erregenden (E) und hemmenden (H) Neuronenpopulationen im primären visuellen Kortex (V1) und des damit verbundenem dorsalen Corpus geniculatum laterale (dLGN) zu messen. Wir haben herausgefunden, dass alle Neurone im dLGN und die Mehrheit der V1-Neuronen (86,2 %) kontrast-invariant sind. Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaft, haben wir Orientierungs- und Kontrastreaktionen zusammen mit einem supralinearen stabilisierten Model verwendet, um die lokale synaptische Konnektivität und deren Eingangsprofil zu bestimmen. Wir fanden, dass die inhibitorische Population ein Subnetzwerk mit starken rekurrenten Verbindungen bildet, wobei E Population am schwächsten zu den V1-Inputs beiträgt, was mit früheren Studien zu diesem Thema übereinstimmt. Darüber hinaus haben unsere inferrierten V1 Inputs gezeigt, dass hemmende V1-Neuronen stärker von dLGN-Projektionen angesprochen werden als erregendes Subnetzwerk. Dies zeigt, dass Kontrastinvarianz eine wichtige Einschränkung für die Verdrahtung der Schaltkreise im primären visuellen System ist. Im nächsten Förderungszeitraum werden wir auf unseren bisherigen Ergebnissen aufbauen. Hiermit werden wir in drei Schritten vorgehen: (1) Wir werden die Konnektivität des V1 Areals testen, indem wir optogenetische Experimente durchführen. Hierdurch werden wir den Einfluss der von Parvalbumin-positiv (PV+) hemmender Interneuronen beigetragenen rekurrenten Hemmung auf Orientierungsselektivität, Kontrastempfindlichkeit und Kontrastinvarianz im V1 untersuchen. (2) Wir werden unser theoretisches Netzwerkmodell erweitern, um die Komplexität biologischer neuronaler Schaltkreise zu berücksichtigen, indem wir kortiko-thalamisches Feedback als zusätzliche rekurrente Eingabe im V1 einbeziehen. Wir werden dieses Modell durch die optogenetische Manipulation von L6 kortikothalamischen (KT) Axonterminalen über dem Thalamus einschränken, während wir die Aktivität und Selektivität des V1-Schaltkreises für Orientierung und Kontrast messen. (3) Wir werden untersuchen, welche Schaltungselemente am meisten zu zeitlichen, Orientierungs- und Kontrastselektivitätsänderungen im primären visuellen System führen, indem wir die Chronologie der V1-Reaktionen analysieren, während eine optogenetische intrakortikale Hemmung im V1 durchgeführt wird. In diesem Netzwerkmodell werden wir testen, ob Änderungen in der Abstimmung und/oder Verstärkung mit Änderungen in der abgeleiteten Konnektivität zwischen spezifischen Netzwerkpopulationen zusammenhängen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2041: Computational Connectomics