D-USA Verbund: Quantifizierung der Balance zwischen robusten Rhythmen und flexibler Synchronisation in circadianen Neuronen

Der suprachiasmatische Nukleus (SCN) ist der zentrale Taktgeber der inneren Uhr und generiert robuste Tagesrhythmen von Feuerraten und Genexpression. Der SCN ist ein heterogenes Netzwerk verrauschter individueller Neurone, die durch Kopplung synchronisiert werden. Der SCN ist in der Lage, sich an äußere Lichtsignale anzupassen (Entrainment). Die Kopplung innerhalb des SCN wird durch verschiedene Mechanismen realisiert, die teilweise antagonistisch wirken können. In dem vorliegenden Verbundprojekt wird die Hypothese getestet, dass eine geeignete Balance der Kopplungen einerseits robuste Rhythmen erzeugt, aber andererseits auch flexible Anpassungen an den Jahresrhythmus, den Jetlag und die Schichtarbeit erlaubt. An der Charité in Berlin werden die experimentellen Daten des Partnerlabors zur Netzwerktopologie und Kopplungsstärke analysiert. Die Modellstudien basieren auf Netzwerken von Oszillatoren, die durch Delay-Differentialgleichungen beschrieben werden. Die theoretischen Vorhersagen zur Minimierung der Folgen der Schichtarbeit werden beim Projektpartner an der University of Washington in den USA getestet. Das vorliegende Vorhaben beinhaltet fünf Arbeitspakete: (1) Analyse von Feuerraten von SCN Neuronen als Basis der Simulationen. (2) Entwicklung des Software-Pakets "Entrainometer", um Bioluminiszenz-Daten, Feuerraten und Aktivitätsmuster studieren zu können. (3) Das etablierte Phasenmodell wird erweitert durch Einbeziehung zweier unabhängiger Kopplungsmechanismen, welche GABA und VIP repräsentieren. (4) Basierend auf den experimentellen Daten des Partnerlabors werden wir ein detaillierteres Modell von gekoppelten Delay-Differentialgleichungen entwickeln. (5) Netzwerksimulationen werden angewandt, um die Gabe von Schlafmitteln zu optimieren.