Verhaltensabhängige präfrontal-hippocampale Kopplung durch oszillatorische Interferenz zwischen subkortikalen Theta-Oszillatoren

• Antragsteller: Dr. Hiroshi Ito
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505443461

Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Gehirns ist seine Fähigkeit, verschiedene Arten von Berechnungen zu bewältigen, indem es dieselbe Architektur neuronaler Schaltkreise verwendet. Diese flexible Rechenleistung ist zum Teil auf eine Strategie der Arbeitsteilung zurückzuführen, bei der jede Hirnregion eine bestimmte Aufgabe hat, die parallele Berechnungen zur Lösung eines komplexen Problems ermöglicht. Diese Eigenschaft stellt jedoch eine zusätzliche Anforderung an das Gehirn: Die in den einzelnen Hirnregionen verarbeiteten Informationen müssen integriert werden, um eine kohärente Lösung zu finden - ein so genanntes Bindungsproblem. Bei der räumlichen Navigation beispielsweise muss das Gehirn zwei Informationsströme verarbeiten und integrieren: einen über die eigene Position, der im Hippocampus verarbeitet wird, und einen weiteren über das nächste Ziel des Tieres, der im orbitofrontalen Kortex dargestellt wird. Diese Berechnung erfordert zwar, dass das Gehirn die funktionelle Kopplung zwischen den einzelnen Regionen verändert, doch ist der Mechanismus dafür bisher nur unzureichend verstanden worden. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, diese seit langem bestehende Frage aus der Perspektive der oszillatorischen Interferenz zu beantworten, die von zwei subkortikalen Theta-Oszillatoren, dem medialen Septum (MS) und dem supramammillären Nukleus (SUM), erzeugt wird. Unsere vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese beiden Regionen Theta-Oszillationen weitgehend unabhängig voneinander erzeugen und ihre Kohärenz in Abhängigkeit von Verhaltensanforderungen moduliert wird. Diese beiden Theta-Rhythmen könnten also Interferenzmuster in einer projektionsgebietsspezifischen Weise erzeugen, die eine wünschenswerte Koordination zwischen den Regionen ermöglichen könnten. Wir werden diese Frage mit Hilfe von hochdichten Ableitungen aus mehreren Hirnarealen, einschließlich MS und SUM, untersuchen, wenn ein Tier eine zielgerichtete Navigationsaufgabe ausführt und sich im REM-Schlaf befindet. Alle diese Verhaltenszustände sind durch den auffälligen Theta-Rhythmus des Hippocampus gekennzeichnet, aber wir gehen davon aus, dass diese Theta-Zustände nicht notwendigerweise gleich sind, sondern je nach den von MS und SUM erzeugten Interferenzmustern eine unterschiedliche Rolle spielen. Wir werden die Veränderung der multiregionalen Interaktionen quantifizieren, indem wir die spektrale Kohärenz und die Spike-Phase-Beziehungen analysieren sowie eine kürzlich entwickelte nichtlineare Methode zur Erkennung von Kausalität anwenden - das konvergente Cross-Mapping. Die kausalen Auswirkungen der Theta-Interferenz werden außerdem durch optogenetische Manipulation der Oszillatoren getestet. Wir gehen davon aus, dass das Projekt einen ersten wichtigen Schritt zum Verständnis der Mechanismen des Gehirns für die erwünschte Kontrolle der regionalen Kopplung darstellen wird und neue Erkenntnisse darüber liefern kann, warum der REM-Schlaf für das Gehirn notwendig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen