Einfluss zellintrinsischer Plastizität auf die neuronale Steuerung von Verhaltensreaktionen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Jutta Kretzberg
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450070471

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der medizinische Blutegel reagiert mit überraschender Präzision auf Berührungsreize. Diese sensorische Leistung basiert auf Mechanorezeptoren, die stark den mechanosensorischen Afferenzen von Säugetieren ähneln. Wie FA-I Fasern der Primaten kodieren T-Zellen des Blutegels Berührungsreizänderungen mit zeitlich präzisen, schnell adaptierenden Spikes. Zusätzlich zu diesen in der Haut generierten Spikes können T-Zellen auch innerhalb des Ganglions Spikes auslösen. Das wirft die Frage auf, wie sensorische und synaptische Eingänge bei der sensorischen Kodierung interagieren. Der Ausgangspunkt unseres Projekts war der Befund, dass T-Zellen auf wiederholte somatische Strominjektionen mit einem hyperpolarisierenden Membranpotenzial und erhöhter Erregbarkeit reagieren. Als Mechanismus dieser zell-intrinsischen Plastizität wurde die Interaktion der Na+/K+-Pumpe mit langsamen K+-Kanälen vorgeschlagen. Ein Kontrollexperiment für diese Hypothese zeigte, dass die Erregbarkeit der T-Zellen auch ohne elektrische Stimulation ansteigt. Dies deutet auf einen nicht aktivitäts-, sondern zeitabhängigen Mechanismus hin, der auch von experimentellen Bedingungen abhängen könnte. Dennoch wurde bereits zu Beginn der Messungen bei T-Zellen eine höhere Variabilität der Erregbarkeit festgestellt als bei anderen Zelltypen des Blutegels. Elektrophysiologie und anatomisch detaillierte Multikompartiment-Modellierung ergaben, dass drei Faktoren zu dieser Variabilität beitragen: (1) zeitabhängige Änderungen der Erregbarkeit, (2) synaptischer Input aus dem Netzwerk und (3) anatomische Unterschiede. Jedoch konnte keiner dieser Faktoren allein die experimentell beobachteten systematischen Unterschiede zwischen T-Zellen an zwei Positionen des Ganglions erklären, was auf die Interaktion mehrerer Faktoren hindeutet. Aufbauend auf unserem Befund, dass T-Zellen über chemische und elektrische Synapsen wechselseitig mit dem Netzwerk verbunden sind, untersuchten wir den Einfluss synaptischer Inputs auf die zeitliche Codierung sensorischer Information. Wir kombinierten taktile Stimulation, die in der Haut zeitlich präzise Spikes auslöste, mit elektrischer Stimulation des Somas, die synaptische Inputs nachbildete. Sowohl Hyperpolarisation als auch durch kurze positive Stromreize im Ganglion ausgelöste Spikes wirkten sich auf verlangsamend auf den nächsten aus der Haut beim Soma eintreffenden Spike aus. Zudem hingen die Fortleitungsgeschwindigkeit und Interaktion der an beiden Orten generierten Spikes von der Umgebungstemperatur ab. Das wirft die Frage auf, wie wechselwarme Tiere ihre Umgebung auf der Grundlage eines zeitlichen Codes wahrnehmen. Zusammenfassend verändern unsere Ergebnisse die Perspektive auf die Verarbeitung verhaltensrelevanter sensorischer Information, da sie zeigen, dass individuelle anatomische Merkmale und variable gegenseitige Netzwerkinteraktionen eine bedeutendere Rolle bei der sensorischen Kodierung spielen als zell-intrinsische Plastizität.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Initial Variability and Time-Dependent Changes of Neuronal Response Features Are Cell-Type-Specific. Frontiers in Cellular Neuroscience, 16.
  Scherer, Jens-Steffen; Riedesel, Oda E.; Arkhypchuk, Ihor; Meiser, Sonja & Kretzberg, Jutta
  
• Interaction of two spike initiation zones in a leech mechanoreceptor. Bernstein Conference 2022
  Sandbote K., Scherer J., Ashida G. & Kretzberg J.
  
• Position dependent differences in response features of individual cells within the same type – intracellular double recordings of mechanosensory T cells of the leech. FENS Forum 2022
  Sleeboom J.M., Meiser S. & Kretzberg J.
  
• The sound of silence – electrophysiological comparison of three cell types. FENS Forum 2022
  Riedesel O., Scherer J.S., Meiser S. & Kretzberg J.
  
• Variability and diversity of sensory Touch cells and interneurons in the leech. Bernstein Conference 2022
  Arkhypchuk I. & Kretzberg J.
  
• Anatomical variability explains neuronal response variability of leech T cells, but anatomical subtypes cannot explain systematically different responses. Bernstein Conference 2023
  Sandbote K., Arkhypchuk I., Stalf K. & Kretzberg J.
  
• Cell anatomy and network input explain differences within but not between leech touch cells at two different locations. Frontiers in Cellular Neuroscience, 17.
  Meiser, Sonja; Sleeboom, Jana Marie; Arkhypchuk, Ihor; Sandbote, Kevin & Kretzberg, Jutta
  
• Synaptic input and temperature influence sensory coding in a mechanoreceptor. Frontiers in Cellular Neuroscience, 17.
  Scherer, Jens-Steffen; Sandbote, Kevin; Schultze, Bjarne L. & Kretzberg, Jutta
  
• Temperature effects on spike counts and spike timing in a mechanoreceptor of a poikilothermic animal. Bernstein Conference 2023
  Schultze B.L., Sandbote K., Scherer J. & Kretzberg J.