Intrazelluläre hippocampale Attraktordynamiken

Gedächtnisforschung ist eines der beliebtesten Forschungsgebiete in den Neurowissenschaften. Der Grundstein dieser Disziplin war die Untersuchung des Patienten H.M. in den 1950er Jahren, dessen Fähigkeit Langzeiterinnerungen zu generieren durch einen operativen Eingriff stark beeinträchtigt wurde. Der Hippocampus ist ein Bestandteil dieser entfernten Hirnregion. Heute ist bekannt, dass der Hippocampus an der räumlichen Gedächtnisbildung und Gedächnisabrufung beteiligt ist. An diesen Prozessen haben Nervenzellen mit räumlich modulierte Rezeptiven feldern (d. H. Ortszellen) teil. Jedoch sind die zellulären Mechanismen welche der Erinnerungsabrufung im Hippocampus zugrunde liegen weitgehend unerforscht. Bei dieser offenen Frage möchte diese Projekt ansetzen und zielt darauf ab mithilfe des räumliche Repräsentationssystem des Hippocampus intrazelluläre Mechanismen für Erinnerungsabrufungn zu bestimmen. Die im Projekt angesteuerte CA3 Region bildet die zweite Verarbeitungsstufe der hippocampalen Trisynaptischen schleife und bildet Querverschaltungen mit sich selbst (d. H. Wiederkehrende Kollaterale). Ein separates Inputsystem stellt der Entorhinalen Cortex dar, welcher den Hippocampus mit sensorischen Informationen aus einer Umgebung versorgt. In Hinblick auf Erinnerungsabrufungen wurde den rückkoppelnden Kollateralen eine wichtige Rolle zugeschrieben. Sie könnten assoziative Netzwerkoperationen bei lückenhaften Hinweisen vorantreiben und somit das Verfollständigen einer Erinnerung ermöglichen (Mustervervollständigung). Dieses Projekt möchte diese Theorie aufgreifen, untersuchen und die Mechanismen der Mustervervollständigung bzw. Fehlerkorrektur dieses Netzwerks auf der intrazellzlären Ebene untersuchen. Um die zellulären Mechanismen für die Mustervervollständigung zu entschlüsseln, werden Whole-cell Patch-Clamp- und lokale Feldpotential-Aufzeichnungen kombiniert und die Aktivität der Ortszellen in wachen, auf einem Laufband laufenden Mäusen aufgezeichnet. Mit diesem experimentellen Design werden intrinsische Eigenschaften sowie Modi der Aktionspotential-Muster dieser CA3 Ortszellen zuerst beschrieben und quantitativ charakterisiert. Um die Dynamik von Fehlerkorrekturen zu untersuchen, werden sensorische Signale der Umgebung verändert um entweder Attraktoreinheiten des Netzwerks (weiterhin aktive Ortszellen) oder nicht- kohärente Darstellungen der veränderten Umgebung (verschwindende Ortszellen) aufzuzeichnen und daher intrazelluläre Markenzeichen der Attraktoreinheiten isoliert. Dieses Projekt stellt einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Attraktordynamik dar und verbindet Theorien aus in-vitro Experimenten mit mathematischen Modellierungsansätzen und in-vivo Verhaltensstudien. Daher können die gewonnenen Daten bei zukünftigen Modellen des hippocampalen Netzwerks verwendet werden. Im allgemeinen kann dieses Projekt ebenfalls unser Verständnis von Gedächtnisstörungen erleichtern.

Ein grundlegendes Ziel der Gedächtnisforschung ist es, zelluläre Eigenschaften und Netzwerkdynamiken von Gedächtnisprozessen zu verstehen. Eine Schlüsselrolle dabei spielte die Zusammenarbeit mit Patienten HM in den 1950er Jahren, der nach der operativen Entfernung des Hippocampus zur Behandlung seiner Epilepsie die Fähigkeit verloren hatte, neue Erinnerungen in seinem Langzeitgedächtnis zu speichern. Heute wissen wir, dass der Hippocampus beim Abrufen von Erlebnissen und der Überführung dieser Erlebnisse ins Langzeitgedächtnis eine entscheidende Rolle spielt. Eine oft untersuchte Netzwerkdynamik, die das Hirn nutzt, um reichhaltige Erinnerungen aus visuellen, auditorischen und emotionalen Eindrücken zu speichern, besteht darin, Hirnregionen über rhythmische Netzwerkaktivitätsmuster zu synchronisieren. Sobald ein Tier dazu bereit ist neue Informationen aufzunehmen und zu speichern, treten im Hippocampus niederfrequenten Theta-Wellen auf, das passiert während Erkundungsreise oder auch in einem regungslosen aufmerksamen Zustand. Theta-Wellen können mit einem Online-Zustand des Gehirns bei der Speicherung und Abrufung von Erinnerungen verglichen werden. Sobald Erlebtes gespeichert werden soll, werden im Ruhezustand die an der Gedächtnisspur beteiligten Neuronen präzise in einem komprimierten Zeitfenster von 100ms reaktiviert. In lokalen Feldpotential-Messungen treten durch diese Netzwerkaktivität intensive Hirnwellen auf, sogenannte Sharp-Wave-Ripples. Ziel dieser Studie war es, intrazelluläre Aktivitätsmuster einzelner Nervenzellen in der Abrufungsregion des Hippocampus, der CA3-Region, während dieser unterschiedlichen Oszillations- oder Verhaltenszustände zu analysieren. Wir stellten uns die einfache Frage: Wie genau verhalten sich prinzipale Neuronen in der CA3-Region im Ruhe- oder Online-Modus? Und können wir in der CA3-Region einen anatomischen Gradienten an Aktivitätsmustern erkennen, da diese Region an unterschiedlichen Prozessen der Erinnerungsspeicherung beteiligt ist? Um diese Frage zu beantworten, trainierten wir Mäuse, auf einem Laufband zu laufen. Das Laufband wurde reichhaltig verziert, sodass Mäuse eine räumliche Erinnerung daran formen konnte. Über einem elektrophysiologischen Aufbau haben wir parallel Hirnwellen/Netzwerkaktivitäten und intrazelluläre Aktivität von einzelnen CA3 prinzipalen Neuronen aufgenommen. Wie in diversen Hirnregionen gezeigt, verwenden CA3-Neuronen einen ternären Code, um Informationen zu kodieren, bestehend aus Stille, einzelnen Aktionspotentiale und Bündel an Aktionspotentialen, auch Bursts genannt, mit fünf bis zehn Aktionspotentialen in bis zu sechzig Millisekunden. Die Feuerungsaktivität der CA3-Neuronen ist stark Theta-moduliert, sowohl kurze Aktionspotenzialen als auch Bursts. Phasenpräferenzen dieser Aktivitätsmuster während Theta-Wellen legen nahe, dass einzelne Aktionspotentiale im Vergleich zu Bursts bevorzugt über unterschiedliche Eingaberegionen eingelangen. Bursts dieser Neuronen scheinen hinsichtlich Dauer und Anzahl der Aktionspotentiale sehr heterogen zu sein. In der CA3-Region haben wir vier Hauptcluster von Bursts entdeckt, darunter kurze Episoden von Aktionspotential-Dubletts, kurze, komplexe Bursts und anhaltende, komplexe Bursts mit topologischem Gradienten entlang der CA3-Region. Die gewonnene Erkenntnis stellt einen wichtigen Schritt zum Verständnis neuronaler Aktivitätsmuster während On- und Offline-Zuständen des Hippocampus dar. Mithilfe dieser Aktivitätsmuster können in Zukunft Plastizitätsmechanismen an neuronalen Kommunikationsstellen, auch Synapsen genannt, untersucht werden, um herauszufinden, was für Proteine von Bursts unterschiedlicher Dauer aktiviert werden, um in weiterer Folge zukünftig fundamentale Grundlagen der Gedächtniskodierung zu entschlüsseln.