Plastizität und Stabilität in rückgekoppelten Systemen spikender Neurone

• Antragsteller: Professor Dr. Richard Kempter
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 1999 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5210942

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Emmy Noether-Projekts wurden Plastizität und Stabilität neuronaler Systeme untersucht. Untersuchungen wurden an zwei ausgewählten Systemen des zentralen Nervensystems vorgenommen: dem Hippokampus und dem auditorischen System. Im Fokus des Projektteils zum Hippokampus standen dynamische Prozesse an Synapsen, die von der präzisen zeitlichen Struktur neuronaler Aktivität abhängen. In dem auf neurophysiologische Experimente bezogenen Teil des Hippokampus-Projekts wurden Fragen zur synaptischen Kurz- und Langzeit-Plastizität in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Kooperationspartnern bearbeitet. Dabei wurde das Phänomen der Phasenpräzession im Hippokampus eingehend analysiert. Als Modell für Phasenpräzession wurde die Kurzzeit-Plastizität der Moosfaser-Synapse vorgeschlagen. Phasenpräzession ermöglicht, Sequenzen von Ereignissen auf der verhaltensrelevanten Skala von Sekunden auf die Zeitskala von Millisekunden zu komprimieren, was Voraussetzung für eine Abspeicherung von Sequenzen mit Hilfe von synaptischer Langzeit-Plastizität ist. Im einem primar theoretischen Teil wurde diese Repräsentation und Speicherung, und auch die Wiedererkennung von Sequenzen untersucht. In Modellen wurde die Speicherkapazität von rekurrenten hippokampalen Netzwerken berechnet, und es wurde dargelegt, wie die Kapazität von der spärlichen Kodierung im Hippokampus und der Metaplastizität von Synapsen abhängt. Der Projektteil zum auditorischen System wurde ebenfalls in enger Kooperation mit experimentellen Partnern durchgeführt. Eingehende Analysen von extrazellularen Ableitungen der neuronalen Aktivität im Hirnstamm von Eulen zeigte, wie akustische Signale repräsentiert sind. Weiterhin zeigten mathematische Modelle und numerische Simulationen, wie elektrische Feldpotentiale erzeugt werden können. Im Projekt zu Tinnitus wurde Homöostatische Plastizitat als ein Mechanismus vorgeschlagen, der neuronale Hyperaktivitat in Folge von Schaden in der Cochlea erzeugt. Diese Hypothese wurde in einem Pilotprojekt zur Behandlung von Tinnitus getestet, und es wurde eine klinisch relevante Behandlungsstrategie für Tinnitus entwickelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2007) Differential modulation of short-term synaptic dynamics by long-term potentiation at mouse hippocampal mossy fibre synapses. J Physiol, 585.3: 853–865
  Gundlfinger A, Leibold C, Gebert K, Moisel M, Schmitz D, Kempter R
  
• (2008) Development of hyperactivity after hearing loss in a computational model of the dorsal cochlear nucleus depends on neuron response type. Hear Res, 240: 57–72
  Schaette R, Kempter R
  
• (2008) Phase precession through synaptic facilitation. Neural Comput, 20: 1285–1324
  Thurley K, Leibold C, Gundlfinger A, Schmitz D, Kempter R
  
• (2008) Sparseness constrains the prolongation of memory lifetime via synaptic metaplasticity. Cereb Cortex, 18: 67–77
  Leibold C, Kempter R
  
• (2008) Temporal compression mediated by short-term synaptic plasticity. Proc Natl Acad Sci USA, 105: 4417–4422
  Leibold C, Gundlfinger A, Schmidt R, Thurley K, Schmitz D, Kempter R
  
• (2009) Auditory responses in the barn owl’s nucleus laminaris to clicks: impulse response and signal analysis of neurophonic potential. J Neurophysiol, 102: 1127–1240
  Wagner H, Brill S, Kempter R, Carr CE
  
• (2009) Predicting tinnitus pitch from patients’ audiograms with a computational model for the development of neuronal hyperactivity. J Neurophysiol, 101: 3042–3052
  Schaette R, Kempter R
  
• (2009) Singlea trial phase precession in the hippocampus. J Neurosci, 29: 13232–13241
  Schmidt R, Diba K, Leibold C, Schmitz D, Buzsáki G, Kempter R
  
• (2010) Acoustic stimulation treatments against tinnitus could be most effective when tinnitus pitch is within the stimulated frequency range. Hear Res, 269: 95–101
  Schaette R, König O, Hornig D, Gross M, Kempter R
  
• (2010) On the origin of the extracellular field potential in the nucleus laminaris of the barn owl (Tyto alba). J Neurophysiol, 104: 2274–2290
  Kuokkanen PT, Wagner H, Ashida G, Carr CE, Kempter R
  
• (2011) Synaptic tagging, evaluation of memories, and the distal reward problem. Lern Mem, 18: 58–70
  Päpper M, Kempter R, Leibold C