Viele aquatische Wirbeltiere nutzen ein mechano-sensorisches Seitenliniensystem zur Wahrnehmung von bspw. Strömungen, passiven Hindernissen sowie aktiven Bewegungen von Raubfeinden oder Beuteobjekten innerhalb des umgebenden Wasserkörpers. Die Morphologie der peripheren Rezeptoren und die zentrale Organisation dieses Sinnessystems zeigen ausgeprägte Gemeinsamkeiten mit dem auditorischen System. Es wurde daher vermutet, dass die Prinzipien der Informationsverarbeitung beider Sinne Ähnlichkeiten aufweisen. Während jedoch große Fortschritte bei der Beschreibung der neuronalen Verarbeitung im auditorischen System gemacht wurden, ist über die periphere und zentrale Prozessierung im Seitenliniensystem wesentlich weniger bekannt. Dies gilt, obwohl das letztere hervorragende Bedingungen für die Untersuchung der Regeln neuronaler Verrechnung im Zentralnervensystem der Vertebraten bietet. Unter Ausnutzung dieser system-spezifischen Vorteile möchte das hier skizzierte Projekt Schlüsselfragen der neuronalen Prozessierung aufgreifen, die unter anderem auch für die Hör- und Kognitionsforschung von großer Bedeutung sind. Dazu zählt bspw. die de novo Generierung zeitlicher und räumlicher Objektrepräsentationen im ZNS aus eingehenden abstrakten Wellensignalen.

Das Projekt zielt konkret auf die zentrale Verarbeitung hydrodynamischer Stimuli. Als bewährtes Modellsystem der Seitenlinie dient Xenopus laevis laevis. Dessen Seitenliniensystem ist gut zugänglich, kann also sowohl neurophysiologisch als auch hydrodynamisch studiert werden, und es liegen ergänzende Daten aus Verhaltensversuchen und Modellrechnungen vor. Der afrikanische Krallenfrosch Xenopus nutzt Wasserwellen zur Beutedetektierung an der Oberfläche, und ist bereits ein bekanntes und etabliertes Tiermodell der biomedizinischen Forschung. Das Seitenliniensystem des Xenopus zeichnet sich durch ein Arrangement von oberflächlichen Rezeptoren aus. Diese Rezeptoren und ihre Afferenzen lassen sich neuroanatomisch präzise beschreiben. Die oberflächliche Morphologie erlaubt lokale Stimuli exakt aufzuzeichnen und, in Konsequenz, die sensorische Transduktion dieser definierten Stimuli neurophysiologisch korrekt zu beschreiben. Die Peripherie des Seitenliniensystems von Xenopus ermöglicht darüber hinaus die selektive Manipulation sensorischer Eingänge in Form einzelner Rezeptoren oder Rezeptorgruppen. Die aufsteigende zentrale Bahn des Seitenliniensystems ist parallel zur auditorischen Bahn angelegt. Diese Tatsache kann genutzt werden um den stereotaktischen Ansatz zur Untersuchung der Neurophysiologie und Neuroanatomie des Systems abzustimmen. Da die zentrale Verarbeitung des Seitenliniensystems des Xenopus theoretisch modelliert wurde, liegen testbare Voraussagen für die Neurophysiologie, Neuroanatomie und Verhaltensversuche vor. Zentrale Ableitungen sind unerlässlich um die Plausibilität modellierter Vorhersagen zur neuronalen Prozessierung einzuschätzen. Weil das Tiermodell Xenopus in psychophysischen Versuchen auf spezifische Stimuli konditionierbar ist, lassen sich zentral beobachtete neuronale Antworteigenschaften auch gezielt mit Verhaltensleistungen korrelieren.

Das Labor des Antragstellers hat die Expertise entwickelt, das vorgeschlagene Modellsystem durch Studien zur zentralen Neurophysiologie und Neuroanatomie effizient zu durchleuchten. Zentrale Antworten auf einfache und komplexe Stimuli werden auf unterschiedlichen hierarchischen Stufen des ZNS aufgezeichnet, und können histologisch spezifischen Hirngebieten zugewiesen werden. Inter-individuelle anatomische Analysen werden im Rahmen eines im Aufbau befindlichen Hirnatlas-Systems von Xenopus optimiert. Hydrodynamische Wellenstimuli können mittels eines konfokalen optischen Sensors kontinuierlich aufgezeichnet und mit simultan registrierter neuronalen Aktivität korreliert werden.

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