SPP 1665: Kognitive Leistung als Ergebnis koordinierter neuronaler Aktivit?t in unreifen pr?frontal-hippokampalen Netzwerken

Die gleichzeitige Aktivierung des pr?frontalen Cortex (PFC) und Hippokampus (HP) durch Netzwerkoszillationen ist entscheidend für einen pr?zisen Informationsfluss im Gehirn w?hrend Ged?chtnis- und Ausführungsaufgaben. Jedoch ist ihre Rolle für die kognitive Ontogenese noch weitestgehend unbekannt. Diese Wissenslücke ist vor allem auf das Fehlen geeigneter Werkzeuge für die Untersuchung sich entwickelnder, neuronaler Netzwerken zurückzuführen. W?hrend der ersten F?rderperiode des Schwerpunkprogramms 1665 konnten wir die frühzeitige Kommunikation zwischen dem PFC und HP auf zellul?rem Niveau aufkl?ren und wichtige zellul?re Schlüsselelemente für deren oszillatorischer Kopplung identifizieren. Dies war m?glich dank der engen Zusammenarbeit einer eigens hierfür gegründeten Troika, die über die erforderliche Expertise für das Herstellen und die Validierung von lichtempfindlichen Proteinen sowie für die Durchführung und Analyse neurophysiologischer Ans?tze verfügt. W?hrend der frühen neonatalen Entwicklung wird die lokale Gamma Band-Aktivit?t im PFC über axonale Projektionen aus dem HP mittels diskontinuierlicher Theta Band-Aktivit?t angetrieben. Aufgrund neuartiger, hocheffizienter Mutanten von Channelrhodopsin konnten wir in kombinierten extrazellul?ren und patch-clamp-Ableitungen, sowohl in vivo als auch in vitro, die neuronale Aktivit?t anregen oder hemmen lassen. Im neonatalen PFC identifizierten wir Pyramidenneuronen der kortikalen Schichten II/III, die zu Neuronen der tiefer gelegenen Schicht V projizieren als Schlüsselneurone für die Entstehung von Oszillationen der Frequenzb?nder im Beta- und im niedrigen Gamma-Bereich. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, welche Rolle neuronale Aktivit?t sowie die Netzwerkaktivit?t in der neonatalen PFC-HP-Verschaltung bei der Reifung von Ged?chtnis und exekutiven Leistungen spielt. Hierfür sollen die zuvor identifizierten Schlüsselneurone zu bestimmten Entwicklungszeitfenstern gehemmt werden. Dies geschieht mittels neuartiger, lichtgesteuerter Kalium-Kan?le, die durch die Troika – wie schon zuvor – entwickelt und validiert werden. Die kurz- und langfristigen Folgen dieser selektiven neuronalen Manipulation für die Konnektivit?t sowie für ihre funktionale Kommunikation w?hrend der Entwicklung des PFC-HP-Netzwerkes (Synchronit?t, Spiking-Muster, kausalen Wechselwirkungen) werden untersucht. Darüber hinaus werden die erwachsenen Verhaltensdefizite, die durch die frühe Manipulation entstanden sind, charakterisiert, um über die Notwendigkeit koordinierter Aktivit?tsmuster w?hrend der neuronalen Entwicklung für das Verhalten zu entscheiden. Auf lange Sicht werden die Ergebnisse dieser Untersuchungen detaillierte Einblicke in die physiologischen und pathophysiologischen Prinzipien der kognitiven Ontogenese liefern.