Neuronale Mechanismen kortiko-subkortikaler Kommunikation über kortikale Riesensynapsen im Säugergehirn.

• Antragsteller: Professor Alexander Groh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383066895

Im Kortex von Säugetieren, wo die Entstehung komplexen Verhaltens vermutet wird, ist die Untersuchung der Struktur und Funktion von neuronalen Netzwerken in den letzten Jahren weit fortgeschritten. Der Kortex wird dabei als kognitive Schaltzentrale gesehen, die spezifische Netzwerke für Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Verhaltenssteuerung koordiniert. Aber wie kommuniziert der Kortex mit dem restlichen Gehirn, um diese Funktionen zu erfüllen? Um auf Ereignisse in der Umwelt angemessen zu reagieren, sendet der Kortex Instruktionen an subkortikale Netzwerke, wie dem Thalamus, der Basalganglien und dem Hirnstamm. Obwohl kortiko-subkortikale Signalweiterleitung essentiell ist für die Interaktionen des Gehirns mit der Umwelt, stehen wir erst am Anfang die neuronalen Mechanismen kortiko-subkortikaler Kommunikation mit modernen anatomischen und funktionellen Methode zu untersuchen. In diesem Vorhaben sollen die Struktur und die funktionellen Mechanismen untersucht werden, die dem Zusammenspiel zwischen dem Kortex und subkortikalen Zielstrukturen zu Grunde liegen. Dafür soll eine Kombination aus Einzelzellelektrophysiologie, u.a. Patch Clamp in tiefen Gehirnregionen und Optogenetik im Modelsystem Maus zum Einsatz kommen. Zunächst werden wir die subkortikalen Zielstrukturen des Somatosensorischen Kortex kartieren und die Organisation dieser Verbindungen zelltypspezifisch charakterisieren. Basierend auf der anatomischen Karte, werden die synaptischen Eigenschaften der einzelnen Verbindungen in vitro charakterisiert. Darauf aufbauend werden anschließend die Interaktionen zwischen dem Kortex und den subkortikalen Zielnetzwerken in vivo, bei sensorischer Verarbeitung und motorischem Verhalten untersucht. Im Fokus dieser Arbeiten steht die kortikale Ausgangsbahn über Neurone in der Schicht 5, die den Kortex mit einer Vielzahl subkortikaler Zielgebiete über putative Riesensynapsen verbindet. Riesensynapsen übermitteln neuronale Signale mit ausgesprochen hoher Effizienz. Wir sind besonders an den Interaktionen zwischen Schicht 5 und dem Superioren Colliculus interessiert, ein prämotorisches Zentrum, welches Bewegungen generiert. Des Weiteren sollen die Interaktionen zwischen Schicht 5 und dem Anterioren Prätektum untersucht werden, welche möglicherweise über starke Inhibition die Weiterleitung von sensorischen Signalen im Thalamus reguliert. Obwohl diese beiden kortikalen Zielareale unser Startpunkt sein werden, ist das mittelfristige Ziel, die kortiko-subkortikalen Interaktionen möglichst übergreifend zu analysieren um ein Model kortiko-subkortikaler Kommunikation entwickeln zu können, welches auch für Gehirnkrankheiten, wie chronischer Schmerz relevant ist. Die Ergebnisse dieses Vorhabens versprechen unser Verständnis der neuronalen Grundlagen zu verbessern, die der Übersetzung von Umweltsignalen in Verhaltensantworten zugrunde liegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen