Computergestützte und experimentelle Untersuchung der heterosynaptischen Plastizität und Mustertrennung in adult-geborenen hippokampalen Körnerzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Jedlicka
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467764793

Adult-geborene Körnerzellen (abGCs) besitzen einzigartige elektrophysiologische Eigenschaften und spielen eine besondere Rolle bei der Gedächtnisbildung und Mustertrennung (pattern separation) im Hippokampus. Junge (4 Wochen alte) abGCs zeigen eine kritische Phase, in der sie erhöhte Erregbarkeit, verstärkte synaptische Plastizität und verminderten Hemmung aufweisen. Wir haben gezeigt, dass junge abGCs ab der 5. Woche homo- und heterosynaptische strukturelle Plastizität aufweisen. Das Zusammenspiel dieser abGC-Eigenschaften in Bezug auf ihren Beitrag zur Mustertrennung ist jedoch nicht ausreichend verstanden und wurde noch nie in biologisch realistischen Simulationen modelliert. Daher werden wir folgende Fragen untersuchen: Wie gestalten charakteristische Eigenschaften junger abGCs ihre Input-Output-Transformation und wie wird dadurch die Mustertrennung auf Einzelzellenebene beeinflusst? Das Hauptziel ist es, die biophysikalischen Regeln besser zu verstehen, die die Entwicklung junger abGCs als effiziente Mustertrenner im Hippokampus vorantreiben. Unsere spezifischen Fragen sind: Welche funktionellen Folgen hat die geringere Synapsendichte in Kombination mit der höheren Erregbarkeit bei jungen abGCs für ihre Input-Output-Funktion? Wie beeinflussen charakteristische Merkmale junger abGCs die Spärlichkeit ihrer Spike-Aktivität (sparse firing)? Wie moduliert die Ionenkanalexpression bei jungen abGCs ihre Input-Output-Funktion, synaptische Plastizität und Mustertrennung? Können die Unterschiede in der Ionenkanalexpression, der Hemmung und der NMDA-Rezeptor-Expression bei jungen abGCs die verstärkte homosynaptische Plastizität bei jungen abGCs vollständig erklären? Wie wirkt sich die homosynaptische Stärkung der Synapsen (LTP) und die heterosynaptische Schwächung (LTD) bei jungen abGCs auf ihre Mustertrennleistung aus? Sind homosynaptische LTP und heterosynaptische LTD auf der Ebene einzelner junger abGCs ausgeglichen? Gibt es eine Synergie oder Redundanz zwischen intrinsischen und extrinsischen (synaptischen) Parametern in Bezug auf das spärliche Feuern der Körnerzellen und ihre Mustertrennung?Um diese Fragen zu beantworten, haben wir folgende Ziele. Mit einer Kombination aus computergestützten und elektrophysiologischen Methoden wollen wir: (1) bestehende Kompartimentmodelle von reifen GCs und jungen abGCs verbessern/erweitern; (2) Modelle verstärkter homosynaptischen Plastizität der jungen abGCs entwickeln und ihre zugrunde liegenden Mechanismen im Modell analysieren; (3) Modelle heterosynaptischer Plastizität der jungen abGCs entwickeln; (4) die komputationale Rolle einzigartiger intrinsischer/extrinsischer Eigenschaften von jungen abGCs und ihrer heterosynaptischen Plastizität für spärliches Feuern und Mustertrennung untersuchen; (5) reduzierte Zell- und Netzwerkmodelle der Mustertrennung entwickeln; (6) Rechenmodelle experimentell validieren und ihre Vorhersagen testen. Neue realistische Modelle werden frei zur Verfügung gestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Kooperationspartner: Dr. Lucas Mongiat