Z01
Das Zentralprojekt Z01 ist in zwei Hauptpfeiler gegliedert: Der erste betrifft genetisch kodierte Technologien und transgene Mauslinien, die die Untersuchung von Engrammen und neuronalen Ensembles mit zellulärer und synaptischer Auflösung ermöglichen. Der zweite Pfeiler von Z01 basiert auf dem Mapping hirnweiter neuronaler Netzwerke mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) und Positronenemissionstomographie (PET). Hirnfunktion und kognitive Leistung sind das Ergebnis einer komplexen Interaktion zwischen einzelnen Hirnarealen, die globale neuronale Netzwerke bilden (Makroebene). Diese Wechselwirkungen werden wiederum durch eine fein abgestimmte neuronale Konnektivität auf zellulärer und synaptischer Ebene zwischen den Hirnregionen (Mikro- und Mesoebene) bestimmt. Ziel von Z01 ist es daher, modernste Methoden für die Untersuchung von Hirnschaltkreisen auf der Mikro-, Meso- und Makroebene bereitzustellen, die es den Mitgliedern des SFB ermöglichen, dringende Fragen zu beantworten, z. B. wie die Aktivität lokaler neuronaler Netze globale neuronale Netze beeinflusst.
Gruppenleitung
Prof. Dr. med. Frank Angenstein
Dr. Michael R. Kreutz
Prof. Dr. Oliver Stork
Gruppenmitglieder
Dr. Cornelia Hesse
Dr. Guilherme Gomes
Wie wird die Aktivität lokaler neuronaler Netzwerke visualisiert?
Z01 bietet den Mitgliedern des CRC eine Reihe von genetisch kodierten Werkzeugen, die aktivierte neuronale Ensembles aufspüren und markieren können, wie CaMPARI2, RAM und Dual e-GRASP. Einige dieser Methoden erlauben auch den Einsatz von opto- und chemogenetischen Werkzeugen, was den Forschern letztlich die Kontrolle über das Verhalten gibt.
Wie können globale neuronale Netzwerke dargestellt werden?
Ändert sich die neuronale Aktivität in einer bestimmten Hirnregion, so verändert sich auch die Blutversorgung für diese Region. Dieser, auch als neuro-vaskuläre Kopplung bekannter Mechanismus, kann mit der funktionellen Magnetresonanz-tomographie (fMRT) nicht-invasiv gemessen werden. Im gesamten Gehirn der untersuchten Tiere (Maus, Gerbil oder Ratte) werden Veränderungen in einzelnen hämodynamischen Parametern, wie Blutfluss /-volumen oder Blutsauerstoffsättigung, mit einer hohen räumlichen Auflösung (≤ 400 µm) gemessen. Sobald sich in unterschiedlichen Regionen die hämodynamischen Parameter gleichartig in einem bestimmten Zeitrahmen ändern (korrelieren), ist es wahrscheinlich, dass sich auch die dort vorhandenen neuronalen Aktivitäten ähneln, d.h. dass diese Neuronenpopulationen interagieren.
Wie kann man den Einfluss lokaler neuronaler Netzwerkaktivität auf globale neuronale Netze untersuchen?
Lokale neuronale Netzwerke können durch Manipulationen spezifischer Neurone innerhalb des Netzwerk mittels verschiedener molekularer Techniken beeinflusst werden. So kann die Expression von DREADDs (Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs) oder Opsinen in bestimmten Neuronen gezielt die Aktivität in einem dazugehörigen lokalen neuronalen Netz (in einem bestimmten Zeitraum) verändern, z.B. durch die Gabe eines Aktivators für DREADDs oder durch Laserlicht-Stimulation der Opsine. Wenn solch eine Manipulation eines lokalen neuronalen Netzwerkes während einer fMRT Messung erfolgt, werden auch mögliche Veränderungen globaler neuronaler Netzwerke messbar. Das bedeutet, dass der Vergleich der fMRT Aktivierungsmuster vor und während der Stimulation der DREADDs oder Opsine zeigt, welche Interaktionen zwischen einzelnen Hirnstrukturen durch das moduliert lokalen Netzwerk reguliert werden.
Ziele unseres Projektes
In den einzelnen Teilprojekten des SFBs werden verschiedene zelluläre Mechanismen untersucht, die als neurale Ressource für kognitive Flexibilität dienen können und den potentiellen Transfer dieser Leistung von einer Aufgabe auf eine andere ermöglichen. All diesen Ansätzen ist gemein, dass sie über eine Modifikation lokaler Netzwerkeigenschaften vermittelt werden, die wiederum, um auch verhaltensrelevant zu werden, auch Veränderungen globaler Netzwerk-eigenschaften bedürfen. Daher bieten wir in diesem zentralen Projekt Methoden zur Identifizierung von Engrammzellen und ihren neuronalen Ensembles sowie Methoden zur Messung der Aktivität lokaler und globaler neuronaler Netzwerke an. Z01 fungiert als Plattform, auf der die teilnehmenden Labore von den etablierten Werkzeuge und dem gesammelten Fachwissen aller Nutzer profitieren können.
Blick in die Zukunft
Das Zentralprojekt Z01 wird auch in Zukunft den SFB auf dem neuesten Stand der Technik halten, um die Aktivität neuronaler Netze im Zusammenhang mit neuronalen Ressourcen auf mikro-, meso- und makroskopischer Ebene zu kartieren. Darüber hinaus sollen die molekularbiologischen Techniken genutzt werden, um insbesondere neuronale Netzwerke zu identifizieren die für die Engrammbildung verantwortlich. Eine gezielte Aktivierung und damit auch eine genauere Charakterisierung dieser Netzwerke sollte ein besseres Verständnis für Mechanismen von neuronalen Ressource für kognitive Flexibilität ermöglichen.