Visuomotorische Integration: Neuronale Mechanismen zielorientierten Entscheidungsverhaltens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Laufe der Evolution haben Wirbeltiere die Fähigkeit entwickelt, überlebensrelevante Reize in ihrer Umwelt innerhalb von Sekundenbruchteilen mittels spezialisierter Sinnesorgane in neuronal kodierte Signale zu übersetzen, diese zu evaluieren und basierend auf diesen Signalmustern schnelle Verhaltensentscheidungen zu treffen. Das zentrale Ziel unserer Forschung ist es, die im Gehirn von Wirbeltieren angelegten Mechanismen aufzuklären, die einer solchen schnellen, sensorisch gesteuerten Verhaltensauswahl zu Grunde liegen. Dazu verwenden wir moderne fluoreszenzmikroskopische und elektrophysiologische Methoden, mit denen wir den Fluss von Informationen entlang sensomotorischer Bahnen im intakten Gehirn beobachten und die daran beteiligten Nervenzellen und ihre synaptischen Verbindungen untersuchen. Für unsere Untersuchungen verwenden wir Larven von Zebrafischen: ein einfaches Wirbeltiermodell, das es wegen seiner geringen Größe, seiner optischen Transparenz und der relativ geringen Anzahl von 100.000-200.000 Neuronen erlaubt, die Mechanismen neuronaler Signalverarbeitung im intakten Organismus im Detail aufzuklären. Unsere früheren Arbeiten trugen bereits wesentlich dazu bei, im Sehsystem der Larve Schaltkreismotive zu identifizieren, die an perzeptionellem Entscheidungsverhalten und der Steuerung von Bewegungsmustern beteiligt sind. So zeigte sich, dass kritische Stimulusattribute wie z.B. die Größe und Bewegungsrichtung eines visuellen Reizes in unterschiedlichen Schichten des optischen Tektums repräsentiert sind und dort von verschiedenen Nervenzellarten weiterverarbeitet werden. Darauf aufbauend untersuchen wir nun, wie diese sensorischen Signale durch intratektale synaptische Verschaltungsmotive weiter geschärft und mit internen, motor-assoziierten Signalen, die die Eigenbewegung repräsentieren, kombiniert werden und schließlich neuronale Aktivitätsmuster ergeben, die in nachgeschalteten Motorarealen des Mittel- und Hinterhirns Bewegungsbefehle auslösen und zu beobachtbaren Verhaltensmustern führen. Insbesondere konzentrieren wir uns in jüngerer Zeit darauf, wie das Gehirn während der Evaluierung visueller Reize das grundlegende Problem löst, unterscheiden zu müssen, ob die auf der Retina eintreffenden Reizmuster von der Bewegung externer Objekte (z.B. Beute oder Fressfeind) herrühren, oder ob sie durch Eigenbewegung des Tieres, z.B. der Augen oder durch Fortbewegung, ausgelöst wurden. Wie das Gehirn diese kritische Unterscheidung leistet, ist nur unzureichend geklärt. In unserer aktuellen Forschung haben wir inhibitorische synaptische Signale im optischen Tektum entdeckt, die während kurzer abrupter Schwimmbewegungen der Larve die visuelle Reizverarbeitung unterdrücken. Mit Hilfe hochauflösender fluoreszenzmikroskopischer Methoden konnten wir Hinweise für daran beteiligte Schaltkreiskomponenten im Tektum und den benachbarten Hirnregionen gewinnen, die die Grundlage für weitere Forschung bilden. Derartige Mechanismen, mit denen das Gehirn eigene Handlungen bei der Verarbeitung äußerer Sinneseindrücke mit einbezieht, spielen vermutlich eine zentrale Rolle auch bei der Bildung komplexer interner Modelle unserer Umwelt im Gehirn. Zusammenfassend hat das Heisenberg-Programm es mir erlaubt, ein zeitgemäßes, herausforderndes Forschungsprogramm an einem hervorragend geeigneten neuen Standort zu etablieren und neue Ansätze zur Beantwortung der grundlegenden Frage zu entwickeln, wie konservierte Sehzentren des Wirbeltiergehirns sensorische und motorische Informationen integrieren und in die Steuerung von Bewegungsabfolgen und Handlungen eingreifen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Connectomic analysis of the larval zebrafish spinal cord (01.12.2018). International Imaging Structure and Function in the Zebrafish Brain Conference, Brighton/UK. Oral presentation
Bollmann, J. H.
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In search of functional principles: analysis of zebrafish visuomotor function at the level of synapses, cells and circuits (06.06.2018). 7th International Caesar Conference, Center of Advanced European Studies and Research, Bonn. Oral presentation
Bollmann, J. H.
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The zebrafish visual system: from circuits to behavior (24.04.2018 - 25.04.2018). Forschergruppe 2325 International Symposium, Frankfurt. Oral presentation
Bollmann, J. H.
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Volume EM Reconstruction of Spinal Cord Reveals Wiring Specificity in Speed-Related Motor Circuits. Cell Reports, 23(10), 2942-2954.
Svara, Fabian N.; Kornfeld, Jörgen; Denk, Winfried & Bollmann, Johann H.
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"Spiking activity and synaptic input structure in tectal cells during fictive visuomotor behaviors in the larval zebrafish brain" (20.11.2019 - 23.11.2019). Cold Spring Harbor Meeting on Neural Circuits and Behavior. Oral presentation
Bollmann, J. H.
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The Zebrafish Visual System: From Circuits to Behavior. Annual Review of Vision Science, 5(1), 269-293.
Bollmann, Johann H.
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A synaptic corollary discharge signal suppresses midbrain visual processing during saccade-like locomotion. Posted December 21, 2022. 2022.
Ali, M. A., Lischka, K., Preuss, S. J , Trivedi, C. A. & Bollmann, J. H.
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Analysis of neural signals during visual information processing in the larval visual system. In: Imaging Structure and Function of the Zebrafish Brain Conference 2022, Trondheim Norway. Poster Presentation. (2022)
Ali, M. A., Lischka, K. & Bollmann, J. H.
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Motion vision: Course control in the developing visual system. Current Biology, 32(11), R520-R523.
Ali, Mir Ahsan & Bollmann, Johann H.
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Tectal cell activity during visuomotor processing underlying visually-guided behavior in larval zebrafish. In: Imaging Structure and Function of the Zebrafish Brain Conference 2022, Trondheim Norway. Poster
Lischka, K., Ali, M. A. & Bollmann, J. H.
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A synaptic corollary discharge signal suppresses midbrain visual processing during saccade-like locomotion. Nature Communications, 14(1).
Ali, Mir Ahsan; Lischka, Katharina; Preuss, Stephanie J.; Trivedi, Chintan A. & Bollmann, Johann H.
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Corollary discharge in the optic tectum inhibits visual processing during self-motion. In: 15th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society. Poster presentation. (2023)
Bollmann, J. H., Ali, M. A. & Lischka, K.
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Corollary_Discharge. Software package written in MatLab for signal analysis in time series data from calcium imaging
Bollmannlab
