Robuste Musterbildung Axonaler Verzweigungen durch Stochastische Filopodiale Dynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Robin Hiesinger
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453877723

Konnektivität im Gehirn hängt ab von axo-dendritischen Mustern, welche jedoch in vielen Aspekten zwischen Individuen unterschiedlich sind. Dorsal Cluster Neurone (DCNs) sind kontralateral projizierende Neurone in beiden Gehirnhälften mit einem stereotypischen Projektions-Muster das eine bekannte funktionale Bedeutung hat, wie kürzlich durch ein Team von RobustCircuit PIs beschrieben. Wir nennen dieses Muster 'stereotypisch', da relative Abstände und Zahlenverhältnisse von Axonen und axonalen Verzweigungen reproduzierbar sind, während individuelle Positionen und Winkel von Axonen und ihren Verzweigungen variabler sind. Bemerkenswerterweise ist dieses axonale Projektionsmuster robust gegen stochastische Variationen der Zahl der Neurone in beiden Gehirnhälften. Wie stellt der Entwicklungsprozess ein stereotypisches axonales Projektions-Muster sicher, das unabhängig ist von der hochvariablen Anzahl der Neurone welche die Axone bereitstellen? Wir hypothetisieren eine Sequenz von zwei kompetitiven Selektions-Prozessen auf der Basis stochastisch explorierender Filopodien: (1) Die Selektion einzelner Axone findet auf der Basis eines Notch-abängigen axonalen Wettbewerbs statt; (2) axonale Verzweigungsmuster enstehen auf der Basis eines EGFR-abhängigen Feedback-Mechanismus zwischen Synapsenbildung und Zweig-Stabilisierung. Beide Mechanismen benötigen stochastische filopodiale Dynamik um einen Pool der Variabilität bereitzustellen für die Selektion in einem Wettbewerb. Das Resultat sichert ein robustes Verdrahtungsmuster, welches in beiden Gehirnhälften unabhängig ensteht und robust ist gegen die variable Neuronenzahl in beiden Gehirnhälften. Der Ansatz von P2 ist die quantitative Untersuchung der axonalen Dynamik und der Robustheit des resultierenden Systems auf der Basis von fortgeschrittener multi-photon intravital und ex vivo live imaging Techniken die für DCNs im Rahmen der RobustCircuit-Vorbereitung etabliert wurden. Wenn diese Studien abgeschlossen sind, werden wir ein komplettes 4D Dynamik-Profil und eine mechanistische Grundlage erarbeitet haben für die Entwicklung robuster axonaler Projektions- und Verzweigungsmuster auf auf der Basis stochastischer Dynamik im intakten Gehirn.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5289: Von Impräzision zu Robustheit in der Assemblierung Neuronaler Schaltkreise
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Bassem Hassan