Konnektivität im Barrel-Kortex: Morphologische und funktionelle Untersuchungen zur Struktur der modularen Organisation des somatosensorischen Kortex

• Antragsteller: Professor Dr. Jochen Ferdinand Staiger
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie
• Förderung: Förderung von 1997 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5380900

• Erstellungsjahr: 2007

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bewusste sensorische Reizwahrnehmung wird durch die thalamo-kortikale Interaktion bei der neuronalen Informations Verarbeitung, im Zusammenspiel mit transmitterspezi fischen (z.B. cholinerge) Projektionen erzielt. Dabei ist die fein abgestimmte Balance zwischen erregender und hemmender synaptischer Übertragung von grundlegender Bedeutung, einerseits, um eine „runaway excitation" (i.e. epileptische Ereignisse) zu verhindern und andererseits, um durch das „timing" der synaptischen Interaktionen (z.B. im Gamma-Rhythmus) eine Integration über größere Abschnitte der sensorischen Karte hinweg zu erzielen (einheitliche und nicht fragmentierte Wahrnehmung von Objekten/Szenen). Hierbei gelten die Parvalbuminenthaltenden Korb- und Chandelierzeilen als eine Schlüsselpopulation für eine funktionelle Musterbildung innerhalb einer Schicht und die VIP-enthaltenden Bipolar- oder Doppelbüschelzellen als eine solche für die vertikale translaminäre Musterbildung. Die von uns beschriebenen synaptischen Interaktionen zwischen diesen Populationen von inhibitorischen Interneuronen könnten die Abstimmung der intra- mit der translaminären Informationsverarbeitung durch exzitatorische Nervenzellverbände vermitteln. Ein sehr wichtiges Ergebnis war die erstmalige strukturelle Darstellung einer funktioneilen Kolumne als Basismodul der kortikalen Informationsverarbeitung. Durch den Einsatz des V erhalt ens Versuchs in Kombination mit dem Nachweis der kolumnären Expression eines Aktivitätsmarkers (c-Fos) ergibt sich hier der faszinierende Befund, dass es wahrscheinlich GABAerge Interneurone sind, die trotz all der massiven horizontalen Konnektivität exzitatorischer Neurone in einer Kolumne in der Lage sind, eine (zu frühzeitige?) Segregation von sensorischer Aktivität zu gewährleisten. Die Befunde sind für die Erstellung von biologisch plausiblen Computer-Modellen hilfreich, mit denen „Computational Neuroscientists" versuchen, nicht nur die komplexen Mechanismen der kortikalen Informationsverarbeitung zu verstehen, sondern dadurch auch die biologische Basis für häufige zentralnervöse Krankheiten des Menschen wie Epilepsie oder Schizophrenie darzustellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Co-localization of vasoactive intestinal polypeptide, gamma-aminobutync acid and choline acetyltransferase in neocortical interneurons of the adult rat. Brain Res. 757:209-217, 1997
  T. Bayraktar, J. F. Staiger, L. Acsady, C. Cozzari, T. F. Freund, and K. Zilles
  
• Geniculo-cortical afferents form synaptic contacts with vasoactive intestinal polypeptide (VIP) immunoreactive neurons of the rat visual cortex. Neurosci.Lett. 228 (3): 179-182, 1997
  F. Hajos, J. F. Staiger, K. Halasy, T. F. Freund, and K. Zilles
  
• Interneurons immunoreactive for vasoactive intestinal polypeptide (VIP) are extensively innervated by parvalbumin-containing boutons in rat primary somatosensory cortex. Eur.J.Neurosci. 9 (11):2259-2268, 1997
  J. F. Staiger, T. F. Freund, and K. Zilles
  
• Immunohistochemical evidence for dysregulation of the GABAergic system ipsilateral to photochemically induced cortical infarcts in rats. Neuroscience 87 (4):871-879, 1998
  T. Neumann-Haefelin, J. F. Staiger, C. Redecker, K. Zilles, J. M. Fritschy, H. Monier, and O. W. Witte
  
• Properties of bipolar VIPergic interneurons and their excitation by pyramidal neurons in the rat neocortex. Eur.J.Neurosci. 10 (12):3617-3628, 1998
  J. T. Porter, B. Cauli, J. F. Staiger, B. Lambolez, J. Rossier, and E. Audinat
  
• Connectivity in the somatosensory cortex of the adolescent rat: an in vitro biocytin study. Anat.Embryol. 199 (4):357-365, 1999
  J. F. Staiger, R. Kotier, K. Zilles, and H. J. Luhmann
  
• Developmental synaptic changes increase the range of integrative capabilities of an identified excitatory neocortical connection. J.Neurosci. 19 (5):1566-1576, 1999
  M. C. Angulo, J. F. Staiger, J. Rossier, and E. Audinat
  
• Enlargement of cortical vibrissa representation in the surround of an ischemic cortical lesion. J.Neurol.Sci. 162 (1):6-13,1999
  K. Schiene, J. F. Staiger, C. Bruehl, and O. W. Witte
  
• Exploration of a novel environment leads to the expression of inducible transcription factors in barrel-related columns. Neuroscience 99 (1):7-16, 2000
  J. F. Staiger, S. Bisler, A. Schleicher, P. Gass, J. H. Stehle, and K. Zilles
  
• Laminar characteristics of functional connectivity in rat barrel cortex revealed by stimulation with caged-glutamate. Neurosci.Res. 37 (1):49-58, 2000
  J. F. Staiger, R. Kötter, K. Zilles, and H. J. Luhmann
  
• Neurons immunoreactive for vasoactive intestinal polypeptide in the rat primary somatosensory cortex: morphology and spatial relationship to barrel-related columns. J.Comp.Neurol, 420 (3):291-304, 2000
  T. Bayraktar, E. Welker, T. F. Freund, K. Zilles, and J. F. Staiger
  
• Excitatory and inhibitory neurons express c-Fos in barrel-related columns after exploration of a novel environment. Neuroscience 109 (4):687- 699, 2002
  J. F. Staiger, C. Masanneck, S. Bisler, A. Schleicher, W. Zuschratter, and K. Zilles
  
• Expression of c-Fos, ICER, Krox-24 and JunB in the whisker-to- barrel pathway of rats: time course of induction upon whisker stimulation by tactile exploration of an enriched environment. J.Chem.Neuroanat. 23 (3):187-198, 2002
  S. Bisler, A. Schleicher, P. Gass, J. H. Stehle, K. Zilles, and J. F. Staiger
  
• Innervation of interneurons immunoreactive for VIP by intrinsically bursting pyramidal cells and fast-spiking interneurons in infragranular layers of juvenile rat neocortex. Eur.J.Neurosci. 16 (1):11-20, 2002
  J. F. Staiger, D. Schubert, W. Zuschratter, R. Kötter, H. J. Luhmann, and K. Zilles
  
• Distinct local circuits between neocortical pyramidal cells and fast-spiking interneurons in young adult rats. J.Neurophysiol. 89 (2):943-953, 2003
  M. C. Angulo, J. F. Staiger, J. Rossier, and E. Audinat
  
• Calbindincontaining interneurons are a target for VIP-immunoreactive synapses in rat primary somatosensory cortex. J.Comp.Neurol. 468 (2):179-189, 2004
  J. F. Staiger, C. Masanneck, A. Schleicher, and W. Zuschratter
  
• Immediate-early gene expression in the barrel cortex. Somatosens.Mot.Res. 23 (3):135-146, 2006
  J. F. Staiger
  
• Cholinergic modulation of spindle bursts in the neonatal rat cortex in vivo. J.Neurosci. 27 (21):5694- 5705, 2007
  L. Hanganu, J. F. Staiger, Y. Ben Ari, and R. Khazipov
  
• The innervation of parvalbumin-containing interneurons by VIP-immunopositive interneurons in the primary somatosensory cortex of the adult rat. Eur.J.Neurosci. 25 (8):2329-2340, 2007
  C. David, A. Schleicher, W. Zuschratter, and J. F. Staiger