Optogenetische Analyse der für kognitive Fähigkeiten zuständigen präfrontal-hippokampalen Netzwerke in der Entwicklung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Michael Denker; Professorin Dr. Ileana L. Hanganu-Opatz; Professor Dr. Peter Hegemann; Professor Dr. Thomas Oertner
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237833830

Informationsverarbeitung und -integration in neuronalen Netzwerken sind verantwortlich für Gedächtnisprozesse und exekutive Leistungen. Die Relevanz dieser funktionalen Interaktionen kann zwischen Präfrontalem Cortex (PFC) und Hippocampus (HP) beispielhaft aufgezeigt werden. Durch Einbeziehung beider Areale in oszillatorische Rhythmen wird die zeitliche und räumliche Koordinierung neuronaler Aktivität sichergestellt und Transfer und Speicherung von Informationen ermöglicht. Oszillatorische Kopplung zwischen präfrontal-hippocampalen Netzwerken bildet sich während der frühen neonatalen Entwicklung heraus, wobei diskontinuierliche Theta-Aktivität im HP die lokale Gamma-Band Synchronität im PFC durch axonale Projektionen steuert. Die zellulären Elemente, die dieser funktionellen Kommunikation in präfrontal-hippokampalen Netzwerken während der Entwicklung zugrunde liegen, und die Auswirkungen der Einbeziehung früher Netzwerke auf später folgende kognitive Funktionen sind jedoch unbekannt. Das aktuelle Projekt zielt darauf ab, diese Themen in einem kollaborativen Troika-Ansatz aufzuklären, durch die Kombination von Entwicklung neuer optogenetischer Werkzeuge und analytischer Ansätze mit in vivo und in vitro Elektrophysiologie und Verhaltensstudien. Schnelle lichtgesteuerte Aktivierung und Innaktivierung verschiedener neuronaler Subpopulationen werden durch zwei verschiedene Wellenlängen verwirklicht, nachdem neu entwickelte push-pull Tandem Konstrukte, die mutierte Channelrhodopsine und inhibitorische Ionenpumpen beinhalten, durch Region-spezifische in utero Elektroporation implementiert wurden. Messungen des lokalen Feldpotentials (LFP) und der Aktivität von Neuronenpopulationen (MUA) im neonatalen PFC und HP durch Optoelektroden in vivo, gefolgt von Synchronitätsanalysen auf Aktionspotential- und Populationsebene werden herangezogen, um neuronale Unterarten (Schlüssel-Neurone) zu bestimmen, die maßgeblich präfrontale Netzwerk-Oszillationen in verschiedenen Frequenzbändern erzeugen, und um die zellulären Mechanismen präfrontal-hippokampaler Kommunikation während der frühen Entwicklung zu entschlüsseln. Um einen langfristigen funktionalen und Verhaltens-Readout der Licht-Aktivierung/-Inaktivierung von Schlüssel-Neuronen zu gewährleisten, werden optogenetische Werkzeuge für langanhaltende Depolarisation und Hyperpolarisation mit Two Component Optopenetik (TCO) entworfen und während definierten Perioden in der Entwicklung aktiviert. Ihr Einfluss auf die oszillatorische Steuerung und gerichtete Interaktionen in präfrontal-hippokampalen Netzwerken wird durch extrazelluläre in vivo Ableitungen an sich frei bewegenden Jungtieren während der Ausführung kognitiver Aufgaben bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden neue Einsichten in die kausale Beziehung zwischen früher neuronaler Aktivität und der korrekten Verschaltung der Netzwerke in der Entwicklung generieren, die der Informationsverarbeitung im Erwachsenenalter zugrunde liegen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1665: Aufschlüsselung und Manipulation neuronaler Netzwerke im Gehirn von Säugetieren: Von korrelativen zur kausalen Analyse
• Großgeräte: Electrophysiology and light-stimulation set-up
• Gerätegruppe: 3440 Elektrophysiologische Meßsysteme (außer 300-309 und 340-343)