Hippocampale Netzwerke für assoziatives Lernen und Gedächtnis

Der Hippocampus ist eine Hirnregion, die für das assoziative Lernen und Gedächtnis eine wichtige Rolle spielt. In dem vorliegenden Projekt wollen wir herausfinden, wie unterschiedlicheTypen vonGABAergen Interneuronenund Pyramidenzellenim Hippocampus in zeitlichen Mustern aktiv werden, um solche Assoziationen im Gehirn zu erzeugen. Dazu werden wir Mäuse trainieren in einer virtuellen Umgebung mittels eines luftgepolsterten Styroporballs zu navigieren. Währenddessen werden wir die neuronale Aktivität in der distalen CA1 Region des Hippocampus messen, die olfaktorische Informationen über den lateralen entorhinalen Cortex erhält. Die Mäuse werden entlang eines virtuellen Y Labyrinths laufen. In manchen Läufen erfahren sie im Mittelgang einen olfaktorischen Stimulus in Form eines Geruchs von Erdnussbutter. Je nachdem ob dieser olfaktorische Stimulus erfolgt, müssen die Mäuse nach rechts oder nach links abbiegen, um eine Belohnung zu erhalten. Sie müssen daher einen olfaktorischen Stimulus mit einem Zielort assoziieren. Während die Mäuse diese Aufgabe lösen, werden wir die Aktivität von unterschiedlichen Neuronenmessen. Dazu werden wir sowohl Glas- alsauch Silikonelektroden verwenden und wir werden das Feuern von Neuronen und auch neuronale Oszillationen in Form von elektrischen Potentialen im extrazellulären Raum messen. Nach erfolgter Ableitung, werden wir die gemessenen Neuronen mittels der juxtazellulären Fülltechnik anfärben und mittels histologischer Analyse die Identität der abgeleiteten Neurone bestimmen. Mit diesen Experimenten wollen wir die Hypothese testen, dass unterschiedliche Typen von GABAergen Interneuronen unterschiedlich zur Formation von Assoziationen beitragen. Außerdem wollen wir testen, wie unterschiedliche Typen von Pyramidenzellen Informationen über Stimulus, Zielort und deren Interaktion kodieren. Zusätzlich wollen wir verschiedene Gamma Oszillationen im Hippocampus messen, während die Mäuse diese kognitive Aufgabe erledigen. Wir werden bestimmen, wie sich diese Gamma Oszillationen mit dem Lernen verändern und wie sie dazu beitragen dass unterschiedliche Hirnregionen, im speziellen der Hippocampus und der entorhinale Cortex, miteinander interagieren, um Assoziationen zu ermöglichen. Wir werden auch untersuchen, wie verschiedene Typen von GABAergen Interneuronen zu diesen Gamma Oszillationen und deren Synchronisierung beitragen. Auch werden wir analysieren, wie Fehler beim Lösen der kognitiven Aufgabe sich auf die neuronale Aktivität auswirken und wie sich neuronale Muster im Laufe des Lernens verändern und ausbilden. In internationalen Kollaborationen werden wir unsere Daten zur Verfügung stellen um ein Computermodell für das assoziative Lernen zu entwickeln und um diese Daten mit einem Modell der Alzheimer-Krankheit zu vergleichen. Zusammengefasst soll dieses Projekt zelluläre Mechanismen herausfinden, die das assoziative Lernen und Gedächtnis im Hippocampus ermöglichen.

Der Hippocampus ist ein wichtiges Hirnareal für assoziatives Lernen und Gedächtnis. In diesem Projekt wollten wir herausfinden, wie verschiedene Arten von GABAergen Interneuronen und Pyramidenzellen des Hippocampus operieren, um solche Assoziationen zu erzeugen. Zu diesem Zweck haben wir Mäuse so trainiert, dass sie in einer virtuellen Umgebung navigieren können, während sie auf einem luftgehobenen Jetball laufen. Während der Aufgabenerfassung haben wir die neuronale Aktivität im distalen CA1Hippocampus aufgezeichnet, einem für das Lernen wichtigen Gehirnbereich, der auch olfaktorische Informationen vom lateralen Entorhinalen Kortex erhält. Bei dieser Aufgabe liefen die Mäuse durch ein virtuelles Labyrinth und konnten irgendwann einen Geruchsreiz erhalten. Je nach Vorhandensein oder Nichtvorhandensein dieses Stimulus, mussten die Tiere früher bzw. später aufhören zu laufen, um eine Belohnung zu erhalten. Während dieser Aufgabe lernten die Tiere, den Geruch mit einem Belohnungsort zu assoziieren. Während die Mäuse die Assoziationsaufgabe ausführten, zeichneten wir die Aktivität identifizierter Neuronen und neuronaler Ensembles sowie Netzwerkoszillationen auf. In einigen Experimenten konnte das aufgezeichnete Neuron unter Verwendung der juxtazellulären Markierungstechnik mit Neurobiotin gefüllt werden, um mit histologischen Analysen den Zelltyp des aufgezeichneten Neurons zu bestimmen. Mit diesen Experimenten konnten wir die Hypothese testen, dass verschiedene Arten von GABAergen Interneuronen unterschiedlich zu den Netzwerkoperationen beitragen, die Assoziationen im Hippocampus erzeugen. Darüber hinaus haben wir getestet, wie sich die beobachteten Aktivitätsmuster in verschiedenen Lernphasen ändern und entwickeln und wie diese Aktivitätsmuster durch Fehler beeinflusst werden. Wir beobachteten, dass einige Neurone im Hippocampus ihre Aktivität bei Vorhandensein des Geruchsstimulus änderten, um das Tier über erforderliche Verhaltensaktionen zu informieren. Andere Neurone haben ihre Aktivität angepasst, um diese Informationen im Arbeitsgedächtnis zu behalten, bis die entsprechenden Verhaltensmaßnahmen ergriffen werden mussten. Eine dritte Untergruppe von Neuronen zeigte den Erfolg und den Erhalt einer Belohnung an, was die positive Verstärkung der erlernten Assoziation unterstützen könnte. Interessanterweise beobachteten wir, dass sich diese Aktivitätsmuster entwickelten, als die Tiere die Assoziation lernten, und zeigten das Kompetenzniveau der Tiere an. Im Gegensatz dazu führte eine Änderung der Regel während der Aufgabe nicht nur zu einer Änderung der Strategie des Tieres, sondern auch zu einer wesentlichen Neueinstellung der Feuermuster der Neuronen. Insgesamt zeigten die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Experimente, wie unterschiedliche Arten von Neuronen im Hippocampus zeitlich interagieren, um Assoziationen zwischen unabhängigen Informationssätzen zu erzeugen.