SFB 1134:  Funktionelle "ensembles": Integration von Zellen, Genese von Aktivitätsmustern und Plastizität von Gruppen ko-aktiver Neurone in lokalen Netzwerken

• Fachliche Zuordnung: Medizin
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243553651

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wahrnehmungen, Erinnerungen, Gedanken, Entscheidungen, Handlungen und Emotionen haben ein physiologisches Korrelat im zentralen Nervensystem. Inzwischen gibt es gute Hinweise darauf, dass dieses Korrelat in koordinierten Aktivitätsmustern verschiedener Neurone besteht. Solche Gruppen funktionell gekoppelter Neurone werden als Ensembles bezeichnet. Sie stellten das zentrale Thema des SFB 1134 dar. Um neuronale Repräsentationen zu verstehen bedarf es eines interdisziplinären Ansatzes, der die Struktur der Netzwerke, ihre raum-zeitlichen Aktivitätsmuster, die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen, ihre Vielfalt, Plastizität und ihre Funktion für den Organismus als Ganzes in den Blick nimmt. Dabei können wir auch umfassende Erkenntnisse der molekularen und zellulären Neurowissenschaften einerseits, und der systemischen und verhaltensorientierten Neurowissenschaften andererseits zurückgreifen. Die Untersuchung der multizellulären Muster liegt zwischen diesen Ebenen und könnte einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis des „neuronalen Code“ leisten. Unser Ansatz hat verschiedene funktionelle Systeme, Hirnregionen, Methoden und Modelle verbunden. Das Konsortium wurde durch drei übergreifende Fragen geeint: i) Wie werden einzelne Nervenzellen in die Aktivität der Ensembles eingebunden und andere ausgeschlossen? Hierzu wird die Aktivität einzelner Neurone mit der Netzwerk-Aktivität korreliert. Wir haben uns das Ziel gesetzt, die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die schließlich zur Bildung einer Gruppe funktionell gekoppelter Neurone führen (u.A. synaptische Plastizität, spezifische afferente und efferente Verbindungen, subzelluläre Spezialisierungen). ii) Was sind die charakteristischen Eigenschaften neuronaler Ensembles? Hierzu wurden multizelluläre Aktivitätsmuster in lebenden Tieren oder Gewebeproben beobachtet. Wir suchten nach Gemeinsamkeiten und charakteristischen Unterschieden zwischen Regionen, z.B. bezüglich der relativen Anzahl beteiligter Neurone und der Abgrenzung oder Überlappung verschiedener Muster. Daraus lassen sich wichtige Schlüsse für die systemische Funktion der Ensembles ziehen. iii) Wie können Ensembles an neue Erfahrungen oder veränderte Umweltbedingungen adaptieren? Hier untersuchten wir die adaptive und zustandsabhängige Plastizität von Ensembles, die eine fundamentale Bedingung für ihre Funktion im Organismus darstellt (z.B. die Genese neuer Ensembles beim Lernen, der Effekt neuromodulatorischer Substanzen etc.). Diese Fragen wurden durch allgemeine Motive verbunden: Wie wird Ko-Aktivität auf verschiedenen Zeitskalen organisiert? Welche strukturellen Korrelate lassen sich nachweisen? Eine weitere Verbindung aller Systemebenen entstand durch die Entwicklung oder Anpassung neuer Methoden zur Beobachtung und gezielten Beeinflussung von Ensembles.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2015) Losing control: excessive alcohol seeking after selective inactivation of cue-responsive neurons in the infralimbic cortex. J Neurosci 35:10750-10761
  Pfarr S, Meinhardt MW, Klee ML, Hansson AC, Vengeliene V, Schönig K, Bartsch D, Hope BT, Spanagel R, Sommer WH
  
• (2016) A new population of parvocellular oxytocin neurons controlling magnocellular neuron activity and inflammatory pain processing. Neuron 89:1291-1304
  Eliava M, Melchior M, Knobloch-Bollmann HS, Wahis J, da Silva Gouveia M, Tang Y, Ciobanu AC, Triana del Rio R, Roth LC, Althammer F, Chavant V, Goumon Y, Gruber T, Petit-Demoulière N, Busnelli M, Chini B, Tan LL, Mitre M, Froemke RC, Chao MV, Giese G, Sprengel R, Kuner R, Poisbeau P, Seeburg PH, Stoop R, Charlet A, Grinevich V
  
• (2016) Convergent evidence from alcohol-dependent humans and rats for a hyperdopaminergic state in protracted abstinence. Proc Natl Acad Sci U S A 113:3024-3029
  Hirth N, Meinhardt MW, Noori HR, Salgado H, Torres-Ramirez O, Uhrig S, Broccoli L, Vengeliene V, Roßmanith M, Perreau-Lenz S, Köhr G, Sommer WH, Spanagel R, Hansson AC
  
• (2016) Differential effects of oxytocin on mouse hippocampal oscillations in vitro. Eur J Neurosci 44:2885-2898
  Maier P, Kaiser ME, Grinevich V, Draguhn A, Both M
  
• (2016) Downstream effects of hippocampal sharp wave ripple oscillations on medial entorhinal cortex layer V neurons in vitro. Hippocampus 26:1493-1508
  Roth FC, Beyer KM, Both M, Draguhn A, Egorov AV
  
• (2016) Hippocampal offline reactivation consolidates recently formed cell assembly patterns during sharp wave-ripples. Neuron 92:968-974
  van de Ven GM, Trouche S, McNamara CG, Allen K, Dupret D
  
• (2016) Oxytocin enhances social recognition by modulating cortical control of early olfactory processing. Neuron 90:609-621
  Oettl LL, Ravi N, Schneider M, Scheller MF, Schneider P, Mitre M, da Silva Gouveia M, Froemke RC, Chao MV, Young WS, Meyer-Lindenberg A, Grinevich V, Shusterman R, Kelsch W
  
• (2016) Spatially segregated feedforward and feedback neurons support differential odor processing in the lateral entorhinal cortex. Nat Neurosci 197:935-944
  Leitner FC, Melzer S, Lütcke H, Pinna R, Seeburg PH, Helmchen F, Monyer H
  
• (2016) Visual landmarks sharpen grid cell metric and confer context specificity to neurons of the medial entorhinal cortex. Elife 5. pii: e16937
  Pérez-Escobar JA, Kornienko O, Latuske P, Kohler L, Allen K
  
• (2017) A state space approach for piecewise-linear recurrent neural networks for identifying computational dynamics from neural measurements. PLoS Comput Biol 13:e1005542
  Durstewitz D
  
• (2017) Cell assemblies at multiple time scales with arbitrary lag constellations. Elife 6
  Russo E, Durstewitz D
  
• (2017) Deletion of aquaporin-4 curtails extracellular glutamate elevation in cortical spreading depression in awake mice. Cereb Cortex 27:24-33
  Enger R, Dukefoss DB, Tang W, Pettersen KH, Bjørnstad DM, Helm PJ, Jensen V, Sprengel R, Vervaeke K, Ottersen OP, Nagelhus EA
  
• (2017) Distinct corticostriatal GABAergic ceurons modulate striatal output neurons and motor activity. Cell Rep 195:1045-1055
  Melzer S, Gil M, Koser DE, Michael M, Huang KW, Monyer H
  
• (2017) Local oxygen homeostasis during various neuronal network activity states in the mouse hippocampus. J Cereb Blood Flow Metab.
  Schneider J, Berndt N, Papageorgiou IE, Maurer J, Bulik S, Both M, Draguhn A, Holzhütter HG, Kann O
  
• (2017) Multiplexed spike coding and adaptation in the thalamus. Cell Rep 19:1130-1140
  Mease RA, Kuner T, Fairhall AL, Groh A
  
• (2017) One nuclear calcium transient induced by a single burst of action potentials represents the minimum signal strength inactivity-dependent transcription in hippocampal neurons. Cell Calcium 65:14-21
  Yu Y, Oberlaender K, Bengtson CP, Bading H
  
• (2017) Oxytocin Mobilizes Midbrain Dopamine toward Sociality. Neuron 95:235-237
  Charlet A, Grinevich V
  
• (2017) Persistent strengthening of the prefrontal cortex - nucleus accumbens pathway during incubation of cocaine-seeking behavior. Neurobiol Learn Mem 138:281-290
  Luís C, Cannella N, Spanagel R, Köhr G
  
• (2017) Selective entrainment of gamma subbands by different slow network oscillations. Proc Natl Acad Sci U S A 114:4519-4524
  Zhong W, Ciatipis M, Wolfenstetter T, Jessberger J, Müller C, Ponsel S, Yanovsky Y, Brankačk J, Tort ABL, Draguhn A
  
• (2017) Sparse convolutional coding for neuronal assembly detection. NIPS 2017:1-11
  Peter S, Kirschbaum E, Both M, Campbell LA, Harvey BK, Heins C, Durstewitz D, Diego Andilla F, Hamprecht FA
  
• (2017) Structural plasticity of synaptopodin in the axon initial segment during visual cortex development. Cereb Cortex 27:4662-4675
  Schlüter A, Del Turco D, Deller T, Gutzmann A, Schultz C, Engelhardt M
  
• (2017) The Action Radius of Oxytocin Release in the Mammalian CNS: From Single Vesicles to Behavior. Trends Pharmacol Sci 38:982-991
  Chini B, Verhage M, Grinevich V
  
• (2018) Amygdala Corticofugal Input Shapes Mitral Cell Responses in the Accessory Olfactory Bulb. eNeuro 5(3)
  Oboti L, Russo E, Tran T, Durstewitz D, Corbin JG
  
• (2018) Choice for Drug or Natural Reward Engages Largely Overlapping Neuronal Ensembles in the Infralimbic Prefrontal Cortex. J Neurosci 38:3507-3519
  Pfarr S, Schaaf L, Reinert JK, Paul E, Herrmannsdörfer F, Roßmanith M, Kuner T, Hansson AC, Spanagel R, Körber C, Sommer WH
  
• (2018) CKAMP44 modulates integration of visual inputs in the lateral geniculate nucleus. Nat Commun 9:261
  Chen X, Aslam M, Gollisch T, Allen K, von Engelhardt J
  
• (2018) Dnmt3a2 in the nucleus accumbens shell is required for reinstatement of cocaine seeking. J Neurosci 38:7516-7528
  Cannella N, Oliveira A, Hemstedt TJ, Lissek T, Buechler E, Bading H, Spanagel R
  
• (2018) Impaired path integration in mice with disrupted grid cell firing. Nat Neurosci 21:81-91
  Gil M, Ancau M, Schlesiger MI, Neitz A, Allen K, De Marco RJ, Monyer H
  
• (2018) Interplay between Oxytocin and Sensory Systems in the Orchestration of Socio-Emotional Behaviors. Neuron 99(5):887-904
  Grinevich V, Stoop R
  
• (2018) Non-rhythmic head-direction cells in the parahippocampal region are not constrained by attractor network dynamics. Elife. 2018
  Kornienko O, Latuske P, Bassler M, Kohler L, Allen K
  
• (2018) Oxytocin Reduces Alcohol Cue-Reactivity in Alcohol Dependent Rats and Humans. Neuropsychopharmacology. 43(6):1235-1246.
  Hansson AC, Koopmann A, Uhrig S, Bühler S, Domi E, Kiessling E, Ciccocioppo R, Froemke RC, Grinevich V, Kiefer F, Sommer WH, Vollstädt-Klein S, Spanagel R
  
• (2018) Oxytocin Signaling in the Lateral Septum Prevents Social Fear during Lactation. Curr Biol. 28(7):1066-1078.e6
  Menon R, Grund T, Zoicas I, Althammer F, Fiedler D, Biermeier V, Bosch OJ, Hiraoka Y, Nishimori K, Eliava M, Grinevich V, Neumann ID
  
• (2018) Synaptic entrainment of ectopic action potential generation in hippocampal pyramidal neurons. J Physiol 596(21):5237-5249
  Thome C, Roth FC, Obermayer J, Yanez A, Draguhn A, Egorov AV
  
• (2018) Target selectivity of septal cholinergic neurons in the medial and lateral entorhinal cortex. Proc Natl Acad Sci U S A 115(11):E2644-E2652
  Desikan S, Koser DE, Neitz A, Monyer H
  
• (2019) A Fear Memory Engram and Its Plasticity in the Hypothalamic Oxytocin System. Neuron 103:133-146
  Hasan MT, Althammer F, Silva da Gouveia M, Goyon S, Eliava M, Lefevre A, Kerspern D, Schimmer J, Raftogianni A, Wahis J, Knobloch-Bollmann HS, Tang Y, Liu X, Jain A, Chavant V, Goumon Y, Weislogel JM, Hurlemann R, Herpertz SC, Pitzer C, Darbon P, Dogbevia GK, Bertocchi I, Larkum ME, Sprengel R, Bading H, Charlet A, Grinevich V
  
• (2019) Gamma oscillations in somatosensory cortex recruit prefrontal and descending serotonergic pathways in aversion and nociception. Nat Commun 10:983
  Tan LL, Oswald MJ, Heinl C, Retana Romero OA, Kaushalya SK, Monyer H, Kuner R
  
• (2019) Mild metabolic stress is sufficient to disturb the formation of pyramidal cell ensembles during gamma oscillations. J Cereb Blood Flow Metab. Dec 16
  Elzoheiry S, Lewen A, Schneider J, Both M, Hefter D, Boffi JC, Hollnagel JO, Kann O
  
• (2019) Oxytocin Signaling in the Central Amygdala Modulates Emotion Discrimination in Mice. Curr Biol 29:1938-1953
  Ferretti V, Maltese F, Contarini G, Nigro M, Bonavia A, Huang H, Gigliucci V, Morelli G, Scheggia D, Managò F, Castellani G, Lefevre A, Cancedda L, Chini B, Grinevich V, Papaleo F
  
• (2019) The mitochondrial calcium uniporter is crucial for the generation of fast cortical network rhythms. J Cereb Blood Flow Metab. Epub 2019 Nov 13
  Bas-Orth C, Schneider J, Lewen A, McQueen J, Hasenpusch-Theil K, Theil T, Hardingham GE, Bading H, Kann O
  
• (2019) TRPC channels are not required for graded persistent activity in entorhinal cortex neurons. Hippocampus 29:1038-1048
  Egorov AV, Schumacher D, Medert R, Birnbaumer L, Freichel M, Draguhn A
  
• (2020) A novel method using ambient glutamate for the electrophysiological quantification of extrasynaptic NMDA receptor function in acute brain slices. J Physiol 598:633-650
  Moldavski A, Behr J, Bading H, Bengtson CP