Funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke und Kleintierbildgebung in vivo

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

Prof. Dr. med. Frank Angenstein

Ich bin seit 2012 Leiter der Arbeitsgruppe “Funktionales Neuroimaging“ am Deutsches Zentrum für neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Magdeburg. Meine Arbeit fokussiert sich zum einen auf die Suche nach den neurophysiologischen Grundlagen der fMRT Bildgebung und zum anderen auf die Frage wie verschiedene modulatorische Transmittersysteme die Interaktion des Hippocampus mit einzelnen cortikalen und subcorticalen Hirnstrukturen beeinflussen und wie sich dies unter verschiedenen pathologischen Bedingungen verändert. Dafür werden einzelne Strukturen des Gehirns selektiv durch elektrische, optogenetische oder chemogenetische Stimulation aktiviert und gleichzeitig die dadurch ausgelösten neuronalen Aktivitäten zum einen direkt durch in-vivo elektrophysiologische Ableitungen im Hippokampus und zum anderen indirekt im gesamten Gehirn mit Hilfe der fMRT Messungen gemessen.

Institut:Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e.V. (DZNE), Magdeburg

Project Titel:Z01 Funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke und Kleintierbildgebung in vivo

Dr. Michael R. Kreutz

Michael R. Kreutz leitet die Forschungsgruppe „Neuroplasticity“ am Leibniz Institut für Neurobiologie sowie die Leibniz Gruppe „Dendritic Organelles and Synaptic Function“ am Zentrum für Molekulare Zellbiologie in Hamburg (ZMNH). Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Biologie der Synapse, inbsesondere befasst er sich mit grundlegenden Fragen zur Kommunikation zwischen Synapse und Zellkern. Dies schließt die Frage nach Rückkopplung zwischen Aktivitäts-abhängiger Genexpression und synaptischer Funktion sowie deren Auswirkung auf die Bildung zellulärer Engramme ein. Nicht zuletzt untersucht er, wie die Nano-Organisation von Synapsen deren funktionelle Eigenschaften im Kontext von Lernen und Gedächtnis bestimmt. 

Institut:Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) Magdeburg

Project Title:A02 Die Bildung von Gedächtnisspuren über Exzitations-Transkriptionskopplung

:A04 Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit durch das Anti-Aging Hormon Klotho – Von molekularen Mechanismen zu Interventionen

Project Title:Z01 Funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke und Kleintierbildgebung in vivo

Prof. Dr. Oliver Stork

Prof. Dr. Oliver Stork ist Leiter der Abteilung Genetik & Molkulare Neurobiologie am Institut für Biologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Seine Forschung widmet sich dem Verständnis molekularer und zellulärer Mechanismen, die der Bildung und Spezifikation emotionaler Erinnerungen zugrunde liegen. Dabei liegt sein besonderes Augenmerk auf der Analyse lokaler Schaltkreisprozesse im Rahmen der Bildung von Engramm-Zellverbänden im Hippokampus. In den SFB wird er seine Expertise in der Etablierung und integrativen Analyse von Nagetiermodellen für die Verhaltens- und Gedächtnisforschung einbringen.

Neben dem SFB1436 fungiert Prof. Stork als Mitglied im Magdeburger Sonderforschungsbereich SFB854 und im Deutschen Zentrum für Seelische Gesundheit am Standort Magdeburg, sowie als Sprecher verschiedener neurowissenschaftlicher Graduiertenschulen, darunter das IRTG1436 (dieses Programm), des CBBS-Graduiertenrogramms und des GRK2413 (stellvertretender Sprecher).

Institut:Otto-von Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften

Project Title:A07 Orexinerge Modulation neuraler Ressourcen

:Z01 Funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke und Kleintierbildgebung in vivo

:ITRG

Gruppenmitglieder

SFB 1436 Mitglied Cornelia Hesse

Dr. Cornelia Hesse

Dr. Guilherme Gomes

Dr. Cornelia Hesse

Der Schwerpunkt meiner Arbeit in den vergangenen Jahren lag und liegt noch in der Untersuchung und Darstellung der Aktivität neuronaler Netzwerke im Gehirn von Nagern mittels Elektrophysiologie, funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT, 4.7T & 9.4T Kleintier-MRT) und zyklischer Voltammetrie.
Dabei habe ich mich unter anderem darauf fokussiert, welchen Einfluss die Freisetzung elektrochemisch-aktiver Neuromodulatoren (wie Dopamin, Noradrenalin, Serotonin, Adenosin) auf die Aktivität neuronaler Netzwerke hat.

Dr. Guilherme Gomes

Ich bin ein brasilianischer Neurowissenschaftler und Mitglied der Forschungsgruppe Neuroplastizität (LIN). Ich interessiere mich für die molekularen Akteure, die komplexe Verhaltensweisen hervorbringen, und habe mich in den letzten zehn Jahren darauf konzentriert, wie die NMDAR-Signalübertragung die Expression von Genen steuert, die mit der Plastizität zusammenhängen. Als Mitglied des SFBs 1436 bin ich Teil der Projekte A02, A04 und Z01, und mein Ziel ist es, der SFB-Gemeinschaft modernste Methoden zur Erkennung und Manipulation von Engrammen zur Verfügung zu stellen.

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.

Publikationen des Projektes Z01