Analyse und Modellierung des circadianen Schrittmacherzentrums der Madeiraschabe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hanspeter Herzel; Professorin Dr. Monika Stengl
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 346385753

Die Madeira Schabe ist ein etabliertes Tiermodell der Chronobiologie. Das circadiane Schrittmacherzentrum im Gehirn der Schabe wird von ~240 Neuronen innerviert, die eine ungewöhnliche Vielzahl von Neuropeptiden co-lokalisieren. Wir identifizieren und charakterisieren das Netzwerk neuropeptiderger circadianer Uhrneurone, welches Schlaf-Wach-Rhythmen in der Schabe steuert und untersuchen dessen Plastizität bei wechselnder Photoperiode. Neuropeptide sind bei Invertebraten und Säugern sehr verbreitet, aber ihre Wirkungsweisen sind wenig verstanden. Offensichtlich vernetzen Neuropeptide unterschiedliche neuronale Schaltkreise neu, um genetisch-verankertes Verhalten in einem sinnvollen physiologischen Kontext zu steuern. Die Schaben-Uhr sekretiert im 24h Rhythmus Neuropeptide, die Ensembles von Neuronen rekrutieren, die dadurch Phasen-gekoppelt im Gamma-Frequenzbereich synchron feuern, wie man es auch bei Cortex-Ableitungen vom Menschen messen kann. Wir schlagen eine neue Hypothese (labeled line encoding) vor, die erklärt, wie sich Uhr und Licht-gesteuert ein neuropeptiderges Netzwerk autonom aufbaut, durch Synchonisation von neuronalen, ultradianen Oszillatoren, um Schlaf-Wach-Rhythmen zu steuern. Auf Einzelzell-Niveau identifizieren, charakterisieren und modellieren wir diesen Schaltkreis durch Zusammenarbeit von Experten aus Biologie, Neuro-Modellierung, Physik, Mathematik und den Elektro-Ingenieurswissenschaften. Der anatomische und funktionelle Aufbau der circadianen Uhr von Schaben und Säugern ist verblüffend ähnlich. Deshalb erwarten wir durch das Verständnis der einfacher gebauten Schabenuhr interessante Einsichten in die viel komplexeren Säugeruhren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2041: Computational Connectomics