Analyse funktioneller Hirnverbindungen mittels in vivo Optogenetik und Holographie

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Hegemann
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431609106

Die Beziehung zwischen Funktion und Verbindungen in kortikalen Schaltkreisen ist eine langjährige Fragestellung in den Neurowissenschaften. Obwohl die Hauptwege kortikaler Informationsverarbeitung in den primären sensorischen Bereichen seit Jahrzehnten beschrieben werden ist unklar, wie die Reizselektivität über Zahl und Stärke der Verbindungen erreicht wird. Kürzliche Hinweise ergaben eine Korrelation zwischen der Stärke horizontaler Verbindungen und der Stimulus-Präferenz. Der klassische Ansatz, über ein Set von Mikroelektroden Verbindungen u analysieren, kann nicht zur Analyse von hunderten von Neuronen in vivo verwendet werden. Das vorgelegte Projekt hat zum Ziel, das Verbindungsnetzwerk zur Prozessierung visueller Reize in der Maus mittels der Expertise zweier Partnerteams zu analysieren, und zwar über Wellenfront-Profilierung in der Mikroskopie (Emiliani) und Modifizierung optogenetischer Aktuatoren (Hegemann).Unsere holographische Lichtmuster-Bildung hat eine Kontrolle von Aktionspotentialen (APs) über Zwei-Photonenanregung in vitro und in vivo ermöglicht. Die Anwendung von zielgerichtet in Somata exprimierten Opsinen erlaubt eine unverfälschte Zell-Zell-Aktivierung. Für eine Ausdehnung von APs auf die Lagen L2/3, L4, und L5 in vivo werden wir optische und molekulare Parameter für 2P Anregung und 2P Bildverarbeitung bis zu ~1 mm Tiefe unter der Hirnoberfläche anpassen. Für den Einsatz von Opsin/Reportersystemen mit minimaler optischer Überschneidung werden wir Opsine mit variabler Absorption, Kanalkinetik und spezifischer Zielmembranintegration mit Calcium- und Spannungssensoren kombinieren und in unser neuestes optisches System mit 3D-Lichtgestaltung (light-shaping) integrieren. Um den durch Streuung verursachten Verlust von Lichtintensität zu minimieren, werden wir unsere optischen Strategien zur Unterfütterung der optischen Pupille, temporaler Fokussierung und strukturierter Musterbildung mit den Vorzügen farbverschobener Opsine und Repertersysteme kombinieren.Im Gegensatz zu bisheriger Korrelation von Orientierungsselektivitätsbestimmung in vivo mit Bestimmungen von Netzwerkverbindungen in vitro, wollen wir die Aufklärung funktioneller Verbindungen optisch komplett in vivo durchführen. Wir werden monosynaptische Verbindungen mit einem presynaptischen Opsin-expremierenden Neuron kartieren und die postsynaptischen Potentiale (EPSPs) elektisch messen. Bei sequenzieller Bewegung holographischer Lichtpunkte auf Neurone entlang der kortikalen Schichten werden wir in der Lage sein, horizontale und vertikale Verbindungen relativ zu den abgeleiteten postsynaaptischen Zellen zu identifizieren. Der Hauptvorteil sind die mit millisekunden Auflösung generierten singulären Aktionspotentiale präsynaptischer Neuronen, die uns auf der Basis der gemessenen EPSPs die Bestimmung Monosynaptischer Verbindungen erlauben. Darüber hinaus kann uns die Anwendung optischer Spannungssensoren zusätzlich die Richtung der elektischen Ausbreitung visualisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Valentina Emiliani