Neuronale Grundlage, funktionelle Rolle und pathologische Relevanz von Rasterzell-ähnlichen Repräsentationen im menschlichen Gehirn

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Nikolai Axmacher; Dr. Hui Zhang
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429281110

Rasterzellen (“grid cells”) wurden zuerst im entorhinalen Cortex (EC) von Nagetieren entdeckt. Sie sind durch hexagonal angeordnete – d.h. sechsfach rotationssymmetrische – räumliche Feuerfelder charakterisiert und scheinen die räumliche Navigation zu unterstützen, indem sie einen Mechanismus für Pfadintegration implementieren. Bei Menschen konnten Rasterzellen mittels Einzelzellableitungen bei prächirurgischen Epilepsiepatienten während virtueller räumlicher Navigationsaufgaben identifiziert werden. Darüber hinaus ergaben mehrere fMRT-Studien indirekte Hinweise für „Rasterzellähnliche Repräsentationen“ („grid cell-like representations“, GCLRs), die als Korrelat von Rasterzellen im EC auf Netzwerkebene mit sechsfacher Rotationssymmetrie interpretiert wurden. Vor kurzem führten wir intrakranielle EEG-Ableitungen im EC von Epilepsiepatienten während derselben räumlichen Navigationsaufgabe durch und beobachteten GCLRs in der Power von Theta-Oszillationen (4-8Hz). Ein direkter Zusammenhang zwischen Rasterzellen und GCLRs konnte jedoch bisher nicht hergestellt werden. Weitere offene Fragen betreffen die genaue Rolle von GCLRs für die Pfadintegration und ihre pathologische Relevanz für das Verständnis der Alzheimer-Erkrankung (AE), weil Neurodegeneration bei der AE im EC zu beginnen scheint. Im vorliegenden Antrag schlagen wir zwei Studien vor, um diese offenen Fragen zu untersuchen. In der ersten Studie wollen wir mittels kombinierter Mikro-/Makroelektrodenableitungen bei prächirurgischen Epilepsiepatienten gleichzeitig Aktionspotenziale und intrakranielle EEG-Oszillationen erfassen. Die Patienten führen während der Ableitungen eine Pfadintegrationsaufgabe in einer virtuellen Umgebung durch. Diese Studie erlaubt es uns, eine direkte Verbindung zwischen der Aktivität einzelner Zellen und GCLRs herzustellen. Die zweite Studie basiert auf fMRT-Messungen bei gesunden jungen Probanden. Die Hälfte dieser Probanden trägt den häufigsten genetischen Risikofaktor für die AE – das ɛ4-Allel des Apolipoprotein E-Gens – während die andere Hälfte aus Kontrollprobanden besteht. Die fMRT-Studie setzt sich aus zwei Experimenten über zwei aufeinanderfolgende Tage zusammen. Am ersten Tag führen die Probanden eine räumliche Navigationsaufgabe durch, die in früherden Studien verwendet wurde, um GCLRs zu erfassen. Am zweiten Tag bearbeiten die Probanden dieselbe Pfadintegrationsaufgabe wie die implantierten Epilepsiepatienten. Wir werden die Stabilität der GCLRs im fMRT über die zwei Experimente analysieren und mit der Leistung und dem Genotyp in Bezug setzen. Die beiden Studien leisten einen substantiell Beitrag zu einem besseren Verständnis der neuronalen Mechanismen, funktionellen Rolle und möglichen pathologischen Relevanz von GCLRs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Liang Wang