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Elektroanatomy hippokampaler Netzwerke: Topographische Verteilung ko-aktiver Zellen und deren Plastizität

Fachliche Zuordnung Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Förderung Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 351649465
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Lokale neuronale Netzwerke bilden hochkoordinierte raumzeitliche Aktivitätsmuster aus, zu denen auch die Aktivierung funktioneller neuronaler Ensembles gehört. Während bestimmter kognitiver Zustände oder Verhaltenssituation entstehen diese Muster in mehreren lokalen Netzwerken, entweder gleichzeitig oder – durch Ausbreitung im Hirngewebe – sequentiell. Im Projekt untersuchten wir ein wichtiges Modellsystem für kohärente Netzwerkaktivität, den Hippocampus von Nagetieren. Unsere Leitfragen waren, wie diese Muster erzeugt werden, wie sie sich ausbreiten und welche unterschiedlichen Eigenschaften sie in verschiedenen Teilnetzwerken des Systems haben. Wir haben hierzu die Netzwerkaktivität in Gehirnschnitten von Mäusen gemessen und experimentell manipuliert. Dazu haben wir Mikroelektrodenarrays eingesetzt, die sogenannte lokale Feldpotentiale an mehreren Stellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung registrieren. Weitere Messungen auf zellulärer Ebene sollten untersuchen, welche Mechanismen die Beteiligung einzelner Neuronen an den globalen Netzwerkmustern bestimmen. Auf zellulärer Ebene haben wir gefunden, dass die Aktivität des Axons (der „Ausgangsfaser“ von Neuronen) und der Dendriten (des Systems, das synaptische Eingaben sammelt) auf bisher unbekannte Weise interagieren, wobei synaptische Eingangssignale die Wahrscheinlichkeit einer ganz bestimmten Form von Ausgangssignalen modulieren, der sogenannten antidromen Aktionspotentiale. Auf Netzwerkebene konnten wir die Bedingungen für die Auslösung zweier unterschiedlicher Netzwerkaktivitätsmuster systematisch bestimmen. Diese Muster, γ-Oszillationen oder sharp-wave-ripple-Komplexe (SPW-R), treten jeweils in verschiedenen kognitiven Zuständen oder Verhaltenssituationen auf. Mithilfe moderner lichtbasierter Stimulationstechniken („Optogenetik“) konnten wir zeigen, dass die Aktivierungskinetik darüber entscheidet, welches der beiden Muster auftritt. Unsere Erkenntnisse aus der in-vitro-Präparation von Hippocampus-Schnitten zeigen somit Randbedingungen für das Verständnis der Entstehung der entsprechenden Muster in vivo auf. Schließlich haben wir in Zusammenarbeit mit unseren mexikanischen Partnern ein Elektrodenarray mit extrem hoher Auflösung eingesetzt, um die Entstehung und Ausbreitung eines spezifischen pathologischen Musters der Netzwerkaktivität, genannt „fast ripples“ (FR), abzubilden. Diese Ereignisse gelten als Marker für chronische epileptische Syndrome. Wir haben herausgefunden, dass FR nahezu synchron in verschiedenen Regionen der Schnittpräparate erzeugt werden können, ohne dass es zu offensichtlichen Interaktionen zwischen Ursprungs-Orten kommt. Darüber hinaus verlief die Ausbreitung von FR nicht ausschließlich über etablierte Wege, sondern sie konnten auch in Regionen propagieren, die unter normalen Bedingungen vor den Hippocampus-Netzwerken aktiviert werden. Diese „umgekehrte Ausbreitung“ könnte einen Mechanismus für die Ausbreitung pathologischer Netzwerkaktivität darstellen und sollte in Tiermodellen in vivo analysiert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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