Intravitalmikroskop
Final Report Abstract
Die Funktion neuronaler Schaltkreise im Wirbeltiergehirn kann nur verstanden werden, wenn man neuronale Aktivität im Kontext des sich verhaltenden Tieres sichtbar machen und manipulieren kann. Das hier beschaffte Intravitalmikroskop wurde speziell dazu aufgebaut, im optisch transparenten Modell der Zebrafisch (Danio rerio) Larve zeitgleich (i) neuronale Aktivität über fluoreszierende Kalzium-Sensoren (GCaMPs) zu visualisieren, (ii) durch optogenetische Aktoren neuronale Aktivität zu beeinflussen, (iii) das Verhalten der Larven durch visuelle oder taktile Reize zu stimulieren, und (iv) mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera motorisches Verhalten der Larve zu analysieren. Dieser experimentelle Aufbau wurde in den ersten 3 Jahren hauptsächlich für 3 Projekte eingesetzt. (1) "Functional Architecture of an Optic Flow-Responsive Area that Drives Horizontal Eye Movements in Zebrafish". Mit unseren Augen können wir nicht nur Objekte erkennen. Sie informieren uns auch kontinuierlich über unsere eigenen Bewegungen. Ob wir laufen, uns drehen, fallen oder in einem Fahrzeug sitzen – die Welt gleitet an uns vorbei und hinterlässt eine charakteristische Bewegungsspur auf der Netzhaut. Aus diesem "optischen Fluss" berechnet das Gehirn scheinbar mühelos die eigenen Bewegungen, um sie gegebenenfalls zu kompensieren. Mit Hilfe des Großgeräts konnten wir eine ganze Reihe neuer Nervenzelltypen beschreiben, mit deren Hilfe das Gehirn von Zebrafischen Eigenbewegungen wahrnehmen und ausgleichen kann. Hierzu wurde mit einem genetisch kodierten Calciumindikator die Gehirnaktivität mit zellulärer Auflösung gemessen während der Zebrafisch visuell stimuliert wurde. Wir konnten nachweisen, dass die Informationen aus beiden Augen schon direkt in dem der Retina nachgeschalteten Gehirnbereich kombiniert werden und nicht erst später, wie bisher angenommen wurde. Somit können Zellen in diesem Gehirnbereich bereits rotierende von translatierenden Mustern unterscheiden – eine grundsätzliche Voraussetzung für angemessene Verhaltensantworten. Darüber hinaus konnten wir durch die neue Technik den gesamten Gehirnbereich mit seinen zellulären Antwortmustern aufnehmen und hierdurch die wahrscheinliche Verschaltung innerhalb des Gehirnbereichs darstellen. (2) "Integrating anatomy and function for zebrafish circuit analysis". In dieser Arbeit wird ein Versuchsaufbau diskutiert, der über einen Photostimulator (digital-micromirror-device, DMD) Neuronen in bestimmten Mustern optogenetisch manipuliert, über GCaMP Kalzium-Aktivität misst, und die Daten in ein anatomisches Standardmodell des Zebrafischgehirns integriert. (3) Untersuchung der Kalzium-Aktivitätsmuster ventral diencephaler dopaminerger Neurone im Kontext spezifischer visueller oder taktiler Stimuli sowie spezifischer motorischer Verhalten. Hier konnten erstmalig differentielle Aktivitätsmuster von sechs verschiedenen dopaminergen Gruppen in Bezug auf sensorische Ereignisse und Motorverhalten dargestellt werden.
Publications
- Integrating anatomy and function for zebrafish circuit analysis. Front. in Neural Circuits 2013, 7:74
Arrenberg, Driever
(See online at https://doi.org/10.3389/fncir.2013.00074) - Functional architecture of an optic flow-responsive area that drives horizontal eye movements in zebrafish. Neuron 2014, 81(6):1344-59
Kubo, Hablitzel, Dal Maschio, Driever, Baier, Arrenberg
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.02.043)
