Schaltkreis-Mechanismen der Phasenpräzession: Experiment und Theorie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Brecht; Professor Dr. Richard Kempter; Professor Dr. Dietmar Schmitz
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322164732

Die neuronale Aktivität von Orts-und Gitterzellen in der hippokampalen Formation zeigt eine systematische Beziehung zum Theta-Rhythmus des EEGs: Wenn das jeweilige Ortsfeld durchquert wird, verschiebt sich der Zeitpunkt der Aktionspotenziale gegenüber dem Theta-Rhythmus, d.h. die Aktionspotenziale "präzessieren". Diese sognannte Phasenpräzession ist eines der am meisten untersuchten Phänomene in den systemischen Neurowissenschaften. Phasenpräzession könnte eine Rolle dabei spielen, die Zeitskalen synaptischer Plastizität (mit Lernregeln, die im Bereich von Millisekunden operieren) und des Lernens auf der Verhaltensebene (mit Lernregeln, die im Sekundenbereich operieren) aufeinander anzupassen. Die bisherigen Arbeiten zum Thema resultierten in umfangreichen Beschreibungen der Zeitstruktur neuronaler Aktivität im hippokampalen System und in zahlreichen Modellen der Phasenpräzession. Nichtsdestoweniger besteht nach wie vor kein Konsens wie Phasenpräzession entsteht. Neurone der Schicht 3 des entorhinalen Kortex weisen sehr ausgeprägte Phasenpräzession auf; wir werden daher unser Projekt auf dieses Hornareal fokussieren. Frühere Arbeiten zur Phasenpräzession zeigen, dass sich zwar leicht Modelle generieren lassen, aber der Ausschluss von Modellen scheitert an vier miteinander verwobenen Problemen: (1) Modelle haben zu viele freie Parameter, (2) die meisten Arbeiten formulieren keine präzisen Mikroschaltkreis-Hypothesen, (3) als Konsequenz machen diese Modelle nur schwache Voraussagen, und (4) spielen dementsprechend keine Rolle für die experimentelle Untersuchung der Phasenpräzession. Unser Forschungskonsortium hat einzigartige und komplementäre experimentelle und theoretische Expertise, um diese Probleme zu bewältigen: (i) Wir werden die entorhinalen Mikroschaltkreise mit hochauflösenden Verfahren in noch nie dagewesener Genauigkeit darstellen. (ii) Anhand dieser Ergebnisse wird ein stark prädiktives Mikroschaltkreis-Modell der Phasenpräzession generiert. (iii) Dieses Modell wird mit modernsten elektrophysiologischen und neurogenetischen Verfahren getestet. Derartige Manipulationen werden uns auch erlauben, die Verhaltensrelevanz der Phasenpräzession zu testen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1665: Aufschlüsselung und Manipulation neuronaler Netzwerke im Gehirn von Säugetieren: Von korrelativen zur kausalen Analyse
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Friedrich Johenning; Dr. Benjamin Rost