Neuronale Interaktionsdynamik während der Entwicklung eines synaptischen Schaltkreises im Drosophila Gehirn

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Robin Hiesinger; Privatdozent Dr. Max Von Kleist, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450430223

Wie entscheidet ein Neuron wann und wo es eine Synapse bildet? Synaptogenese benötigt die Interaktion von axonalen und dendritischen Projektionen von zwei Neuronen zur gleichen Zeit am gleichen Ort. Axonale und dendritische Projektionen sind dynamische Strukturen, un dennoch ist nur wenig bekannt über die Rolle der dynamischen filopodialen Interaktionen während der Entwicklung von spezifischen Synapsen im Gehirn. In diesem Antrag kombinieren wir 'live imaging' der Synapsen-Entwicklung in einem neuronalen Schlatkreise mit Computer-gestütztem Modeling. Unser Ziel ist ein Verständnis der Rolle der neuronalen Interaktiondynamik währned der Entscheidungsfindung einelner Neuronen wann und wo es zur Synaptoogenese kommt.Wir fokussieren uns auf die Synapsenbilding von Drosophila R7 Photorezeptor-Neuronen und ihren (korrekten und inkorrekten) postsynaptischen Partnerneuronen. Unsere Kollaboration zwischen Drosophila Neurobiologen und Mathematikern ist motiviert durch die Herausforderungen welche 4D Tracking Daten von stochastischer filopodialer Dynamik während der Synapsenbildung stellen. Die Rolle dieser filopodiale Dynamik ist bis heute weitgehend unklar. Wir haben daher in einen interdisziplinaeren Ansatz entwickelt um die dynamischen Entscheidungsprozesse einzelner Neurone zu untersuchen.Zwei kollaborative Studien unseres Teams sind die Basis für diesen Forschungsantrag. Das Ziel der beiden Projekte war das 'wann' und 'wo' des R7 Entscheidungsprozesses während Synapsenbildung zu studieren. In unserer ersten Studie beschrieben und modellierten wir einen filopodialen 'winner takes all' Mechanismus, der die Zahl der gebildeten Synapse in der Zeit reguliert. In unserer zweiten Studie beschrieben und modellierten wir weitergehend wie filopodiale Dynamik auch die Wahl der synaptischen Partner beeinflusst. Beide publizierte Studien beschäftigten sich ausschliesslich mit dem präsynaptischen R7 Axon Terminus, während der Beitrag jeglicher postsynaptischen Partner bislang unbekannt ist.Soweit wir wissen gitb es bis heute keine Charakterisierung der Interaktionsdynamiken fuer ein Paar von prä- und postsynaptischen Axonen und Dendriten fuer einen kompletten Synapsenbildungsprozess in einem sich normal entwickelnden Gehirn. Unser Ziel ist es eine solche vollständige Charakterisierung und Modellierung der Interaktionsdynamik während der Syanpsenbildung zwischen zwei Neuronen vorzulegen (Aim 1). Modulation der filopodialen Dynamik ändert sowohl die Synapsenzahl als auch synaptische Spezifität. Unser Ziel ist daher eine quantitative Beschreibung von Synapsenbildungsprozessen die die synaptische Verdrahtung, Schaltkreis-Funktion und Verhalten beeinflussen (Aim 2). Wenn dieses Studien abgeschlossen sind werden wir ein Modell etabliert haben fur die Interaktionsdynamik während der Entwicklung eines funktionell relevanten synaptischen Schaltkreises im intakten Gehirn.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen