Neuronale Mechanismen von multi-modaler Integration und deren Modulation durch Erfahrung

• Antragsteller: Dr. Martin Fritz Strube-Bloss
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 373499214

Multi-modale Integration spielt eine zentrale Rolle bei der Wahrnehmung von Sinnesreizen, da die Umgebung permanent Stimuli unterschiedlicher Modalitäten liefert. Dabei verstehen wir noch nicht, wie Gehirne diese Informationen integrieren und gleichzeitig irrelevante Informationen filtern, um die verhaltensrelevante Stimulus Situation zu extrahieren. Mein Ziel ist es, unser Verständnis über die zugrundeliegenden Mechanismen zu erweitern. Im geplanten Projekt werde ich die neuronalen Grundlagen multimodaler Integration untersuchen. Die Sinnesökologie und Neurobiologie der Honigbiene liefert ideale Voraussetzungen zur Untersuchung olfaktorisch-visueller Integration. Neurophysiologisch konzentriere ich mich auf die Pilzkörperausgangsneurone (PKAN), da diese, morphologisch betrachtet, die erste neuronale Ebene nach olfaktorisch-visueller Konvergenz darstellen. Ich habe bereits eine Methode entwickelt, die es erlaubt die Aktivitäten einzelner PKAN während der Stimulation mit monochromatischem Licht und unterschiedlichen Duftkomponenten elektrophysiologisch über mehrere Stunden zu registrieren. Erste Ergebnisse zeigen, dass tatsächlich ca. 50% der gemessenen PKAN sowohl auf Licht als auch auf Duft reagieren. Diese multimodalen Neurone bilden mit hoher Wahrscheinlichkeit ein neuronales Substrat multimodaler Integration und sollen im weiteren Verlauf der beantragten Studie charakterisiert werden.Zunächst werden definierte Duft und Licht Stimuli einzeln und in Kombination präsentiert und die neuronale Aktivität in den PKAN analysiert. Diese Ergebnisse geben Aufschluss über die neuronale Repräsentation nach olfaktorisch-visueller Konvergenz. Im weiteren Verlauf werde ich untersuchen, wie sich eine gemeinsame Assoziation zwischen Duft-Licht Kombination mit einer Belohnung auf die neuronale Repräsentation der Einzelmodalitäten auswirkt. Zunächst werden Verhaltensexperimente mittels klassischer Konditionierung, die standardmäßig in der Honigbiene etabliert sind, durchgeführt. Die Tiere werden auf eine Duft-Licht Kombination konditioniert und anschließend getestet, ob sie nur auf den Verbund oder auch auf die Einzelkomponenten (Licht und Duft) reagieren.Nach erfolgreicher Etablierung der multimodalen Lernexperimente werden klassische Konditionierung mit Elektrophysiologie gekoppelt. Die Kombination extrazellulärer PKAN Registrierungen mit klassischen Konditionierungsexperimenten konnte ich bereits erfolgreich nutzen, um neuronale Plastizität nach unimodaler Duft-Belohnungsassoziation nachzuweisen. Weiterhin konnte ich mit dieser Methode zeigen, dass die Belohnungsassoziation nicht nur die Duftkomponente enthält, sondern gleichzeitig auch eine Räumliche Komponente beinhaltet. Dies deutet darauf hin, dass PKAN unterschiedliche Eigenschaften der belohnten Stimulus Situation integrieren (Duftidentität plus Stimulationsseite). Von den geplanten Experimenten werden grundlegend neue Erkenntnisse zu den neuronalen Mechanismen multimodaler Erfahrung erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen