SPP 1665: Kognitive Leistung als Ergebnis koordinierter neuronaler Aktivität in unreifen präfrontal-hippokampalen Netzwerken


Die gleichzeitige Aktivierung des präfrontalen Cortex (PFC) und Hippokampus (HP) durch Netzwerkoszillationen ist entscheidend für einen präzisen Informationsfluss im Gehirn während Gedächtnis- und Ausführungsaufgaben. Jedoch ist ihre Rolle für die kognitive Ontogenese noch weitestgehend unbekannt. Diese Wissenslücke ist vor allem auf das Fehlen geeigneter Werkzeuge für die Untersuchung sich entwickelnder, neuronaler Netzwerken zurückzuführen. Während der ersten Förderperiode des Schwerpunkprogramms 1665 konnten wir die frühzeitige Kommunikation zwischen dem PFC und HP auf zellulärem Niveau aufklären und wichtige zelluläre Schlüsselelemente für deren oszillatorischer Kopplung identifizieren. Dies war möglich dank der engen Zusammenarbeit einer eigens hierfür gegründeten Troika, die über die erforderliche Expertise für das Herstellen und die Validierung von lichtempfindlichen Proteinen sowie für die Durchführung und Analyse neurophysiologischer Ansätze verfügt. Während der frühen neonatalen Entwicklung wird die lokale Gamma Band-Aktivität im PFC über axonale Projektionen aus dem HP mittels diskontinuierlicher Theta Band-Aktivität angetrieben. Aufgrund neuartiger, hocheffizienter Mutanten von Channelrhodopsin konnten wir in kombinierten extrazellulären und patch-clamp-Ableitungen, sowohl in vivo als auch in vitro, die neuronale Aktivität anregen oder hemmen lassen. Im neonatalen PFC identifizierten wir Pyramidenneuronen der kortikalen Schichten II/III, die zu Neuronen der tiefer gelegenen Schicht V projizieren, als Schlüsselneurone für die Entstehung von Oszillationen der Frequenzbänder im Beta- und im niedrigen Gamma-Bereich. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, welche Rolle neuronale Aktivität sowie die Netzwerkaktivität in der neonatalen PFC-HP-Verschaltung bei der Reifung von Gedächtnis und exekutiven Leistungen spielt. Hierfür sollen die zuvor identifizierten Schlüsselneurone zu bestimmten Entwicklungszeitfenstern gehemmt werden. Dies geschieht mittels neuartiger, lichtgesteuerter Kalium-Kanäle, die durch die Troika – wie schon zuvor – entwickelt und validiert werden. Die kurz- und langfristigen Folgen dieser selektiven neuronalen Manipulation für die Konnektivität sowie für ihre funktionale Kommunikation während der Entwicklung des PFC-HP-Netzwerkes (Synchronität, Spiking-Muster, kausalen Wechselwirkungen) werden untersucht. Darüber hinaus werden die erwachsenen Verhaltensdefizite, die durch die frühe Manipulation entstanden sind, charakterisiert, um über die Notwendigkeit koordinierter Aktivitätsmuster während der neuronalen Entwicklung für das Verhalten zu entscheiden. Auf lange Sicht werden die Ergebnisse dieser Untersuchungen detaillierte Einblicke in die physiologischen und pathophysiologischen Prinzipien der kognitiven Ontogenese liefern.


Projektleitung
Hegemann, Peter Prof. Dr. (Details) (Experimentelle Biophysik)

Beteiligte Organisationseinheiten der HU

Laufzeit
Projektstart: 10/2016
Projektende: 02/2019

Forschungsbereiche
Molekulare Neurowissenschaft und Neurogenetik, Physiologie, Zelluläre Neurowissenschaft

Zuletzt aktualisiert 2021-07-07 um 15:02