Einfluss exzitatorisch-inhibitorischer Interaktionen auf die Differenzierung neuronaler Netzwerkstruktur

• Antragsteller: Dr. Samora Okujeni
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516753473

Die Selbstorganisation neuronaler Netzwerke beruht auf aktivitätsabhängigen strukturellen und funktionellen Differenzierungsprozessen wie Zellmigration, Neuritenauswuchs und Reifung synaptischer Hemmung. Mit Hilfe von computergestützten Netzwerkmodellen für Neuritenwachstum und Migration und in Netzwerken kortikaler Neuronen in vitro werden wir untersuchen, wie Inhibition die Entstehung der mesoskaligen Architektur neuronaler Netzwerke moduliert. Neurone können wachsen oder auch wandern, um eine zur Erreichung eines hypothetischen Zielwerts an Konnektivität und Aktivität erforderliche Überlappung ihrer Neuritenfelder zu erreichen. Dabei ziehen sich exzitatorische Neuronen gegenseitig an, was abhängig vom Verhältnis von Migration und Neuriten-Wachstumsraten in Simulationen wie auch in vitro zu unterschiedlichem Grad der Clusterbildung führt. Im Projekt werden wir untersuchen, wie sich die Reifung der Hemmung während der frühen postnatalen Entwicklung auf die homöostatisch geregelte strukturelle Differenzierung neuronaler Netze auswirkt. Vorläufige Ergebnisse simulierter Netzwerkentwicklung deuten darauf hin, dass hemmende synaptische Aktivität innerhalb des Migrationsprozesses einerseits abweisend für andere Neurone wirken und andererseits das Neuritenwachstum fördern würden, was eine Reihe interessanter Auswirkungen auf sich entwickelnde Netzwerkarchitekturen voraussagt: (i) Hemmung würde die Konnektivität über das für die Aktivitätshomöostase in rein exzitatorischen Netzwerken notwendige Maß hinaus erhöhen. (ii) Der Anteil der hemmenden Neuronen in einer lokalen Neuronenpopulation hätte entscheidenden Einfluss auf ihre Einbettung in das Gesamtnetzwerk. Die Hemmung würde dadurch den Verbindungshorizont von Neuronen erweitern, die Bildung von besonders stark vernetzten Neuronen fördern und Small-World Konnektivität auf der Netzwerkebene verstärken. (iii) Asymmetrische Interaktionen zwischen exzitatorischen und inhibitorischen Neuronen würden dazu führen, dass Cluster exzitatorischer Neurone von inhibitorischen Neuronen umgeben wären, ähnlich wie in der Organisation der Mikrokolumnen des Neokortex. Die Hemmung trüge damit zur strukturellen und funktionellen Modularisierung neuronaler Netzwerke bei. Das Projekt wird neue Perspektiven auf die komplexe Wechselwirkung von Migration, Neuritenwachstum und Hemmung bei der Regulierung der Architektur und Aktivität neuronaler Netzwerke liefern. Die Entschlüsselung der Beiträge dieser interagierenden Prozesse wäre für das Verständnis der nativen Selbstorganisation neuronalen Gewebes und seiner Reorganisation bei neurodegenerativen Prozessen von großer Bedeutung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ulrich Egert