Imaging der Aktivität des olfaktorischen Netzwerks in einer semi-intakten Nase-Hirn-Präparation: Entstehung spontaner Theta-Oszillationen im Bulbus olfactorius

• Antragstellerin: Professorin Dr. Veronica Egger
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406690699

Oszillationen neuronaler Netzwerkaktivität im Theta-Rhythmus (4-8Hz) kommen in vielen neuronalen Ensembles von Vertebraten vor, am bekanntesten in hippocampalen Arealen. Im Riechsystem von Mensch und Ratte ermöglichen Theta-Oszillationen die eigentliche olfaktorische Kodierung. Ihre Entstehung wird mit Atmungsaktivität in Verbindung gebracht, die sensorische Eingänge in der Nase vor allem über mechanosensitive, olfaktorische und trigeminale Sinnesneurone anspricht. In einer semi-intakten, dezerebrierten Nase-Hirn-Präparation haben wir nun im olfaktorischen Bulbus Theta-Oszillationen unabhängig von Atmung beobachtet. Dies bedeutet, dass Theta-Oszillationen spontan, ohne sensorische oder zentrale Eingänge, auftreten können. Somit ist unsere zentrale Arbeitshypothese, dass Atmung und somit der respiratorische Rhythmus im Bulbus eine intrinsiche Resonanz des Netzwerks des Bulbus übernehmen; die spontanen Theta-Oszillationen im Bulbus der Nase-Hirn-Präparation sind ein Korrelat dieser Resonanz und können durch respiratorische oder vergleichbare sensorische Eingänge eingekoppelt werden. Zur Überprüfung dieser Vorstellung planen wir, die Nase-Hirn-Präparation mit unserer Expertise in Zwei-Photonen-Imaging-Techniken zur Erfoschung von Netzwerkfunktionen auf der Ebene einzelner Neuronen und Ensembles zu kombinieren, um damit die Entstehung spontaner Theta-Oszillationen im Bulbus und ihrer Wechselwirkung mit sensorischen Eingängen in einem intakten Netzwerk zu untersuchen. Ein sehr wahrscheinlicher Mechanismus für die Entstehung spontaner Theta-Oszillationen ist der intrinsische Schrittmacher in einem juxtaglomerularen Zelltyp, den “external tufted cells” (ETCs), da ETCs bekanntermassen spontan “bursts”/Aktionspotentialfolgen im Theta-Frequenzband feuern können. Der erste Schritt in diesem Vorhaben ist es, Ca2+-Populationsimaging in der glomerularen Schicht des Bulbus in der Nase-Hirn-Präparation mit einem bereits existierenden resonanten Scanning-Zwei-Photonen Mikroskopsystem zu etablieren. Da die ETCs nahe an der Oberfläche des Bulbus lokalisiert sind und ihre rhythmischen “bursts” nachgewiesenermassen einen starken Ca2+-Einstrom mit sich bringen, sind somatische ETC-Signale ein geeignetes Ziel für Ca2+-Imaging. Somit werden wir die spontane Aktivität von ETCs parallel zu Ableitungen des Feldpotentials beobachten und ihren Beitrag zum spontanen Thetarhythmus mit pharmakologischen Mitteln testen. Schliesslich werden wir die Kopplung von Duftstimulation, rhythmischem Luftstrom und der Aktivität von ETCs untersuchen, sowie die parallele Aktivität der prinzipalen Mitral- und Büschelzellen. Dieser Ansatz wird es uns gestatten, physiologische Aktivitätsmuster in der Nase-Hirn-Präparation und somit relevante Netzwerkeigenschaften in vitro zu untersuchen. Unsere Untersuchungen können auch zum Verständnis von Theta-Kodierung in anderen Hirnarealen sowie von atmungsinduzierter Rhythmik beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen