Räumlich anisotrope und isotrope laterale inhibition: Konvergente Schaltkreis-Designs im Antennallobus der Insekten und Bulbus olfactorius der Wirbeltiere

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Veronica Egger; Dr. Silke Sachse
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430157889

Inhibitorische Neurone sind eine essentielle Komponente von Nervensystemen, die das Ausgangssignal erregender Schaltkreise balancieren und modulieren. In olfaktorischen Systemen verschiedener Arten spielt die neuronale Inhibition durchweg eine besonders dominante Rolle. Hochkomplexe, verdichtete inhibitorische Schaltkreise regulieren den Einfluss des sensorischen Eingangssignals. Noch auffallender ist, dass inhibitorische Neurone die Hauptvermittler von Interaktionen zwischen nachgeschalteten Prinzipalneuronen sind, da diese keine direkten synaptischen Kontakte miteinander haben. Man geht davon aus, dass diese Netzwerke die olfaktorische Sensitivität in Abhängigkeit vom physiologischen Zustand beeinflussen, die neuronale Erregung regulieren, das Feuern von Prinzipalneuronen synchronisieren als auch die Kontrastverstärkung der Repräsentation ähnlicher Düfte durch Dekorrelation der Antwortmuster erhöhen. Die Architektur der zugrunde liegenden Netzwerkanatomie ist erstaunlich ähnlich bei Insekten und Wirbeltieren und daher ein herausragendes Beispiel für konvergente Evolution. In diesem Forschungsvorhaben ist es unser Ziel, die zellulären Korrelate definierter hemmender Interaktionen in der olfaktorischen Verarbeitung über verschiedene Arten hinweg zu entschlüsseln. Konkret werden wir die zellulären Grundlagen und den funktionellen Einfluss dominanter Formen der neuronalen Inhibition im Antennallobus der Fliege und dem Riechkolben der Ratte untersuchen, und uns hierbei auf die rekurrente Inhibition sowie die isotrope und anisotrope laterale Inhibition fokussieren. Letztere ermöglicht gerichtete Interaktionen zwischen einzelnen Glomeruli, die möglicherweise sogar fest verdrahtet sind. Über die erste Phase des SPP-Programms hinaus, die sich auf anisotrope Inhibition in verschiedenen Arten konzentrierte und teilweise aufgrund der Pandemie verzögert wurde, planen wir nun auch, die anatomischen Korrelate der rekurrenten Inhibition und der isotropen lateralen Inhibition bei der Fliege zu identifizieren, um letztendlich die genannten spezifischen inhibitorischen Interaktionen bestimmten Interneuronen-Typen zuzuordnen. Anschließend werden wir diese Zuordnungen und ihren funktionellen Einfluss in Experimenten testen, die ein gezieltes Ausschalten der jeweiligen Interneuronen-Typen während des angeborenen und erlernten geruchsgesteuerten Verhaltens beinhalten. Parallel dazu planen wir, die Ergebnisse dieser und früherer Untersuchungen in Arten-spezifische Netzwerkmodelle zu integrieren, die auf realistischen neuroanatomischen Parametern basieren, welche aus aktuellen ultrastrukturellen Daten und funktionellen Daten unserer eigenen Arbeit und der anderer Forschenden abgeleitet wurden. Letztendlich ist es unser Ziel, basierend auf diesen Modellen und in enger Zusammenarbeit mit Neuroinformatikern des SPPs, ein neues generisches Netzwerkmodell des konvergenten olfaktorischen Systems zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2205: Evolutionäre Optimierung neuronaler Systeme
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Martin Paul Nawrot; Professor Dr. Fred Wolf