D-USA Verbund: Neuronale Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus

Der Hippokampus spielt eine zentrale Rolle für das Gedächtnis. Um die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen im Hippokampus zu verstehen, sollen in diesem Projekt die Aktivitätsmuster einzelner Neuronen untersucht werden. Im Hippokampus von Nagetieren werden Neuronen in zeitlichen Abfolgen auf unterschiedlichen Zeitskalen aktiviert, und zwar 1) auf der Zeitskala von mehreren Sekunden: Während die Tiere ihre Umgebung erkunden, produzieren sogenannte Ortszellen Aktionspotentiale, wenn das Tier einen bestimmten Ort, das Ortsfeld, durchquert. Passiert ein Tier gradlinig die Ortsfelder mehrerer Zellen, werden diese sequentiell aktiviert. 2) auf der Skala der Theta-Oszillationen (5-12 Hz): Am Anfang eines Ortsfeldes wird eine Ortszelle spät im Theta-Zyklus aktiv. Während das Tier das Ortsfeld durchläuft, wird die Zelle früher und früher aktiv. Diese sogenannte Theta-Phasenpräzesion führt dazu, dass Ortszellen mit überlappenden Feldern innerhalb eines Theta-Zyklus sequentiell aktiviert werden. 3) auf der Zeitskala von kurzlebigen "Sharp-Wave/Ripple" Komplexen im lokalen Feldpotential: Diese Komplexe treten auf, wenn das Tier ruht oder schläft. Innerhalb eines Komplexes von 100-400ms wird ein Großteil der hippokampalen Neuronen in einer zeitlichen Abfolge aktiviert. Diese drei Arten von Sequenzen sind signifikant miteinander korrelliert und spielen eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung. In diesem Vorhaben werden experimentelle Ansätze und Modellierung miteinander kombiniert, um die neuronalen Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus zu verstehen. Die Kernhypothese ist, dass Theta-Sequenzen und Ruhe-Sequenzen durch denselben Mechanismus erzeugt werden. Diese Hypothese wird durch neuronale Netzwerkmodelle, Einzelzellableitungen und optogenetische Inaktivierung der CA3 Region getestet.