Imaging der Aktivität des olfaktorischen Netzwerks in einer semi-intakten Nase-Hirn-Präparation: Entstehung spontaner Theta-Oszillationen im Bulbus olfactorius
Biologie des Verhaltens und der Sinne
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuronale Netzwerk-Oszillationen sind im olfaktorischen System sehr prominent. Im Bulbus olfactorius, der ersten Verarbeitungsstation für Duftinformationen, treten insbesondere langsame Oszillationen auf, die an den Atemrhythmus gekoppelt sind. Diese sogenannten Theta-Oszillationen spielen in der Kodierung der Duftinformation eine wichtige Rolle, indem sie eine duftspezifische Taktung der Aktivität der Eingangskanäle ermöglichen. Am Ausgangspunkt des Projekts stand die Beobachtung, dass es in einer von uns zuvor entwickelten semi-intakten Nase-Hirn-Präparation trotz Abwesenheit von Atmung zu Oszillationen des lokalen Feldpotentials in einer der Atmung vergleichbaren Frequenz kommt. Die daraus abgeleitete Arbeitshypothese war, dass es sich bei diesen langsamen Oszillationen um eine intrinisische Resonanz des neuronalen Netzwerks des Bulbus handelt. Bezüglich des Mechanismus wurde vermutet, dass die spontan in „bursts“ feuernden externen Büschelzellen in der Glomerularschicht des Bulbus als Schrittmacherzellen agieren und somit diese Oszillationen generieren. Ferner sollten diese Oszillationen durch die Atmung mitgezogen werden und somit den oben erwähnten Theta-Oszillationen zugrundeliegen. Es war geplant, das Phänomen der Oszillationen zunächst weiter elektrophysiologisch und pharmakologisch zu charakterisieren und dann die vermuteten Schrittmacherzellen vermittels 2-Photonen-Ca2+ imaging in Aktion zu beobachten. Allerdings waren die Ergebnisse der pharmakologischen Manipulationen widersprüchlich, und auch gewisse Eigenschaften der Oszillationen liessen die Arbeitshypothese einer neuronalen Netzwerkoszillation immer fragwürdiger erscheinen. Auf der anderen Seite standen die Beobachtungen, dass die Oszillationen neurogenen Ursprungs waren und dass das spontane Feuern von Mitralzellen, der Prinzipalneurone des Bulbus, durch die Oszillationen teilweise synchronisiert wurde – was mit einem Artefakt (elektrisch oder/und mechanisch) allein nicht erklärbar war. Nach zwei Jahren experimenteller Arbeit stellte sich schließlich heraus, dass durch die Perfusionspumpe hervorgerufene Pulsationen des Perfusionsdrucks einen adäquaten Stimulus für erregende Mechanorezeptoren in Mitralzellen darstellen, die das oszillatorische Potential vermitteln. Dieser Befund führte zur Vorhersage, dass durch den Herzschlag bedingte arterielle Pulsationen in vivo – die in Amplitude und Zeitverlauf den Pumpen-induzierten Pulsationen vergleichbar sind - ebenfalls das Feuern von Mitralzellen beeinflussen können. Der Nachweis dieser Hypothese gelang in Kollaboration mit Hamburger Wissenschaftlern. Somit können bestimmte Nervenzellen des Gehirns direkt den Herzschlag detektieren, ein bislang unbekannter Weg der Interozeption. Das Projekt steht beispielhaft dafür, wie durch zunächst unerklärliche Befunde neuartige Mechanismen entdeckt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Blood pressure pulsations modulate olfactory bulb neuronal activity via mechanosensitive ion channels. Cold Spring Harbor Laboratory.
Salameh, Luna Jammal; Bitzenhofer, Sebastian H.; Hanganu-Opatz, Ileana L.; Dutschmann, Mathias & Egger, Veronica
