Funktionelle Connectomic des neuralen Schaltkreises für die Verarbeitung des optischen Flusses im Zebrabärbling

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Winfried Denk; Dr. Fumi Kubo
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 346717992

Connectomics Ansätze mit modernen Elektronenmikroskopie (EM) Techniken haben nicht nur anatomische Verbindungen sichtbar gemacht, sondern auch das mechanistische Verständnis der zugrundeliegenden neuronalen Berechnung, wenn sie mit physiologischen- oder Verhaltensexperimenten kombiniert werden. Aufgrund seiner geringen Größe des Gehirns, sowie seiner optischen und genetischen Zugänglichkeit ist der larvale Zebrabärbling ein vielversprechendes System für die Kombination von EM-Daten und funktioneller Bildgebung. Wir schlagen vor, diese Vorteile zu nutzen um einen visuellen Schaltkreis mit einer definierten Funktion und Verhalten zu rekonstruieren. Unsere bisherigen Imaging-Studien haben gezeigt, dass Neurone im Zebrabärbling Pre-Tektum binokulare Verarbeitung des optischen Flusses durchführen. Funktionelle Antworttypen die wir bereits identifiziert haben, erlaubten es uns einen Schaltplan vorherzusagen, der erklären konnte, wie verschiedene Muster des binokularen optischen Flusses verarbeitet werden. In diesem Antrag werden wir unseren vorhergesagten Schaltplan direkt testen. Zuerst werden wir die Neurone die den optischen Fluss verarbeiten von einem Datensatz rekonstruieren den wir mittels serial-block-face-Elektronenmikroskopie erstellt haben und dessen Auflösung es uns erlaubt einzelne Synapsen zu visualisieren. Bevor der EM-Datensatz erstellt wurde haben wir die physiologischen Reaktionen der Neurone mit Zwei-Photonen-Kalzium-Mikroskopie erfasst. Auf diese Weise enthält unser Datensatz zusätzlich physiologische Informationen von etwa zweihundert Neuronen. Durch die Markierung dieser physiologisch gekennzeichnet Neurone, werden wir ihre Vernetzung über direkte Synapsen bestimmen können. Zweitens werden wir den Neurotransmitter der optischen Fluss verarbeitenden Zellen auf Lichtmikroskopie (LM) Ebene untersuchen. Dazu verwenden wir ein genetisches Werkzeug, das Kalzium-Imaging und Fluoreszenzmarkierung von photoaktivierbaren GFP kombiniert. Diese Methode, wenn sie mit Neurotransmitter-spezifischen transgenen Linien verbunden wird, kann physiologische Reaktionen auf optischen Fluss mit Zellmorphologie von erregenden und hemmenden Zellen auf Einzelzellebene kombinieren. Durch den Vergleich von rekonstruierten Zellen mittels EM und Neurotransmitter-spezifischen Einzelzellen die per LM charakterisiert wurden, können wir bestimmen ob EM-rekonstruierte Zellen erregend oder hemmend sind. Schlussendlich werden alle experimentellen Daten kombiniert, um eine computergestützte Simulation.Mit Hilfe von zwei komplementären Ansätzen wird unsere funktionell-gestützte connectomics Analyse es uns ermöglichen Verschaltungsmuster, die der binokularen Erkennung von Bewegung unterliegen zu verstehen. Wir planen, unsere SBEM Dataset und seine Rekonstruktionsergebnisse zugänglich für die Forschung zu machen in der Hoffnung, dass dies zukünftige Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Disziplinen der Neurowissenschaft fördert.

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