Selbstorganisation in neuronalen Netzwerken mit gleichzeitig exzitatorischer und inhibitorischer homöostatischer synaptischer Plastizität

• Antragstellerin: Dr. Farzad Farkhooi
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460662458

Homöostatische synaptische Plastizität ist ein regulatorischer Feedback-Mechanismus, bei dem Neuronen übermäßige Exzitation und Inhibition durch Anpassung ihrer synaptischen Stärken kompensieren. Trotz umfangreicher Forschung zur synaptischen Homöostase ist unklar, wie sowohl exzitatorische als auch inhibitorische synaptische Inputs gleichzeitig selbstorganisiert werden können, um die Aktivität auf Netzwerkebene einzuschränken. Das vorliegende Projekt wird theoretische Instrumente einsetzen, um diese Forschungslücke zu schließen. Auf der Grundlage der überwältigenden Beweise dafür, dass die Unregelmässigkeit der Spikes in verschiedenen kortikalen Bereichen der Säugetierarten eine enorme Ähnlichkeit aufweist, postulieren wir, dass die Homöostase die Statistik der Unregelmässigkeit der Spikes sowie die Output-Feuerrate der Neuronen regulieren kann. Ein wesentliches direktes Ergebnis des von uns vorgeschlagenen Mechanismus ist die Entstehung eines synaptischen Skalierungsgesetzes im asynchron-irregulären Zustand von Netzwerken mit exzitatorischer und inhibitorischer rezidivierender Dynamik. In diesem Projekt werden wir die Bedingungen weiter untersuchen, unter denen die synaptische homöostatische Regulation eine stabile Dynamik auf Populationsebene erzeugt, bei der die Spiking-Rate breit verteilt ist und die synaptische Gewichtsverteilung verzerrt ist, wie es experimentell in rekurrenten Schaltkreisen exzitatorischer und inhibitorischer Neuronen beobachtet wird. Schließlich werden wir unsere theoretischen Vorhersagen in einer Reihe von In-vitro-Experimenten mit optogenetischen Techniken experimentell testen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, USA
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Susanne Schreiber
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander DeJesus; Professor Dr. David Hansel