Dynamik von elektrisch gekoppelten neuronalen Netzen

Neuronen kommunizieren in erster Linie über Verbindungen, die als elektrochemische Synapsen bekannt sind, von denen sich Milliarden in irgendeinem Stück Gehirngewebe befinden und für ihre Funktion wesentlich sind. Bestimmte Typen von Neuronen interagieren jedoch auch über eine völlig andere Art von Synapsen: eine direkte elektrische Verbindung, die als Gap-Junction bekannt ist. Die Prävalenz dieser elektrischen Synapsen im Zentralnervensystem ist gut etabliert, ebenso wie ihre Rolle bei der Erzeugung synchronisierter rhythmischer Netzwerkaktivität. Allerdings ist ein umfassendes Verständnis der Verbindungswirksamkeit und ihrer Rolle bei der Einstellung der Netzwerkdynamik am rudimentärsten. Hier schlagen wir vor, innovative Experimente und Theorien zu kombinieren, um eine gründliche Charakterisierung der Wirksamkeit und Funktion elektrischer Synapsen im Säugetierhirn durchzuführen. Die Experimente werden in zwei wichtigen Gehirnstrukturen durchgeführt, bei denen elektrische Synapsen existieren. In der Großhirnrinde, die für Wahrnehmung, Aktion und hochkognitive Funktionen verantwortlich ist, werden inhibitorische Neuronen über Gap-Junctions gekoppelt. Die zweite Gehirnregion ist die untere Olive, eine wichtige Gehirnstruktur, bei der sich Neuronen nur auf Gap-Junctions verlassen, um innerhalb der Struktur zu kommunizieren. Wir werden sowohl In-vitro- als auch In-vivo-Experimente durchführen und Ganzkörper-Aufnahmen, bildgebende Verfahren und Optogenetik mit einbeziehen, damit wir die spezifische Subpopulation von Neuronen ansprechen. Wir werden eine Methodik zur Schätzung der Anzahl von elektrisch gekoppelten Neuronen entwickeln, um die Rolle der dendritischen passiven und aktiven Membraneigenschaften und des dendritischen Gap-Junction-Ortes, der Verbindungswirksamkeit zu untersuchen und wie sich elektrochemische Synapsen und Gap-Junctions gegenseitig beeinflussen. Auf Netzwerkebene analysieren wir die Parameter für die rhythmische Aktivität und untersuchen, unter welchen Bedingungen elektrisch gekoppelte Netzwerke als koinzidente Detektoren für ihre Eingaben arbeiten. Es wird erwartet, dass am Ende dieser Studie nicht nur ein komplett neues Werkzeug zur Untersuchung elektrisch gekoppelter Netzwerke angeboten wird, sondern auch die Funktionsprinzipien zweier prominenter Netzwerke im Gehirn von Säugetieren enträtseln.