Prinzipien lokaler synaptischer Konnektivität als Grundlage motorischer kortikaler Populationsdynamik

• Antragsteller: Dr. Yangfan Peng
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563285920

Synaptische Verbindungen zwischen Neurone bestimmen maßgeblich die Aktivität im Gehirn. Während lokale erregende Verbindungen hochgradig strukturiert sind, ist die Spezifität von hemmenden Verbindungen noch nicht abschließend geklärt. Die synaptischen Netzwerke können sich insbesondere abhängig von verschiedenen Neuronen-Typen unterscheiden. In Schicht 5 des motorischen Kortex gibt es zwei Subtypen erregender Neuronen. Die intra-telencephalischen IT-Neurone projizieren in andere kortikale Regionen, während PT-Neurone entlang der Pyramidenbahn projizieren. Diese beiden Neuronen-Subtypen sind hauptverantwortlich dafür Informationen des Kortex nach außen zu tragen, und unterscheiden sich in Morphologie, Konnektivität und ihrer Aktivität während Bewegungen. Dennoch ist unklar, wie diese Subtypen in höherdimensionale Netzwerkstrukturen eingebettet sind und wie ihre in-vivo Aktivität mit der spezifischen lokalen Verschaltung zusammenhängt. Der Zusammenhang zwischen der Struktur synaptischer Netzwerke und der Aktivität dieser Netzwerke in-vivo ist eine der zentralen Fragen in den Neurowissenschaften. Wir haben zuletzt in einer Studie zu Schicht 2-3 des menschlichen Kortex besondere Netzwerkprinzipien gefunden, die sich von vorherigen Studien an Nagetieren unterscheiden. Auch haben wir in Vorarbeiten strukturierte und subtyp-spezifische Verbindungen durch hemmende Interneurone in Schicht 2-3 der Ratte nachgewiesen. Diese Ergebnisse führen zu der Frage, ob das lokale Schicht 5 Netzwerk des Kortex ebenfalls eine strukturierte Hemmung aufweist und inwieweit sich kortikale Netzwerkprinzipien über Schichten und Spezies hinweg generalisieren lassen. Konkret werden wir folgende Fragen adressieren: 1) Wie ist die höherdimensionale Netzwerkstruktur von Erregung und Hemmung in Schicht 5 des motorischen Kortex organisiert? 2) Welche Rolle spielt das lokale Schicht 5 Netzwerk bei der Repräsentation von Bewegungen? 3) Sind die Schicht 5 Netzwerkprinzipien von Mäusen auf den menschlichen Kortex übertragbar? Die Antwort zu diesen Fragen wird zu einem besseren Verständnis der Informationsverarbeitung in kortikalen Netzwerken von Mäusen und Menschen führen. Unser übergeordnetes Ziel ist durch die Bearbeitung dieser Fragen ein ganzheitliches Konzept zu entwickeln wie ex-vivo Konnektivität mit in-vivo Populationsaktivität zusammenhängen. Um diese Ziele zu erreichen, werden wir neuartige hochdurchsatz-Methoden verwenden, die ich etabliert und weiterentwickelt habe. Mithilfe der Multi-Neuron Patch-Clamp Methode werden wir die Struktur kortikaler Netzwerke von Mäusen und Menschen messen. Darüber hinaus werden wir mithilfe von Neuropixels Sonden die Aktivität vieler Neurone in-vivo untersuchen. Das gastgebende Institut wird entscheidend zum Erfolg des Projektes beitragen: Sowohl durch den Zugang zu modernen optogenetischen Werkzeugen, als auch durch den besonderen Zugang zu menschlichen Hirngewebe.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Großgeräte: Implantable Electrophysiology setup ; Multi-patch setup upgrade
• Gerätegruppe: 3440 Elektrophysiologische Meßsysteme (außer 300-309 und 340-343)
• Kooperationspartner: Pau Vilimelis Aceituno, Ph.D.