Die Rolle des lateralen entorhinalen Kortex für die Verarbeitung olfaktorischer Information
Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Olfaktorische Stimuli liefern vielfältige Informationen über die Umgebung, wichtig für diverse Verhaltensweisen, wie Nahrungssuche, soziale Interaktionen und die Vermeidung von Raubtieren. Diese Verhaltensweisen hängen von der Identifikation von Duftstoffen ab, aber auch von der Bestimmung von deren Konzentration, dies ist besonders wichtig für die geruchsabhängige Navigation. In Säugetieren wird olfaktorische Informationen zunächst von Mitralzellen im olfaktorischen Bulbus verarbeitet. Zellen des Olfaktorischen Bulbus projizieren direkt zum piriformen Kortex, dem primären olfaktorischen Kortex, der kritisch für die Identifikation von Gerüchen ist. Obwohl geruchsinduzierte Aktivität im olfaktorischen Bulbus und im pirirformen Kortex detailliert beschreiben wurde ist wenig über die Verarbeitung olfaktorischer Information in höheren Hirnarealen bekannt. Ziel dieses Projekts war die Untersuchung olfaktorischer Verarbeitung im lateralen entorhinalen Kortex (LEC) von Mäusen, dem zentralen Hirnareal für die Übertragung olfaktorischer Informationen zum Hippokampus, welcher wiederum eine wichtige Rolle bei geruchsbedingter Erinnerung und Navigation spielt. Hierfür haben wir ein System für olfaktorische Stimulation entwickelt, dass zeitlich präzise Stimulation gekoppelt zur Atmung in wachen, fixierten Mäusen ermöglicht und mit Verhaltenstests und elektrophysiologischen Messungen kombiniert werden kann. Damit konnten wir zeigen, dass schnelle geruchsinduzierte Aktivität innerhalb von 50-100 ms nach dem Einatmen im LEC dominiert. Weiterhin zeigen wir, dass Aktivität im LEC für die Unterscheidung von Duftstoffen und deren Konzentration notwendig ist, und dass Mäuse in der Lage sind diese beiden Unterscheidungen innerhalb von etwa 200 ms durchzuführen. Untersuchungen der Aktivität der Population von Neuronen im Schicht 2 des LEC, wo der Großteil der olfaktorischen Aktivität ankommt, haben gezeigt, dass Duftstoffe anhand der Identität der Neurone welche ihre Feuerrate erhöhen identifiziert werden können. Im Gegensatz kann die Konzentration von Duftstoffen anhand des zeitlichen Verlaufs der Aktivität unterschieden werden, wobei höhere Konzentrationen zu schnelleren Antworten und höhere Synchronität führen. Schicht 2 im LEC enthält zwei Klassen exzitatorischer Neurone, Fächerzellen und Pyramidenzellen. Wir konnten zeigen, dass Fächerzellen stärkere Eingänge vom olfaktorischen Bulbus und vom piriformen Kortex erhalten, was zu einer schnelleren Antwort im Vergleich zu Pyramidenzellen führt. Interessanterweise sind die Geschwindigkeit der Antwort bei Fächerzellen unabhängig von der Geruchskonzentration, Pyramidenzellen allerdings reagieren früher bei erhöhter Konzentration. Dies unterliegt der höheren Synchronität der Population im LEC bei höherer Geruchskonzentration. Diese zeitliche Kodierung von Information wird auch zum Areal CA1 des Hippokampus weitergegeben. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse die einzigartige Verarbeitung olfaktorischer Information von parallelen Schaltkreisen im LEC und heben die Relevanz zeitlicher Kodierung von Information in höheren olfaktorischen Arealen hervor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Parallel pathways of odor processing in the lateral entorhinal cortex, Neuromatch 3.0 online conference, October 2020
Bitzenhofer, S. H.
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Parallel pathways for rapid odor processing in lateral entorhinal cortex: Rate and temporal coding by layer 2 subcircuits. bioRxiv (2021)
Bitzenhofer, S. H., Westeinde, E. A., Bear Zhang, H.-X., Isaacson, J. S.
