Spatiotemporale Feuermuster bei der taktilen Verarbeitung im sensorischen Kortex
Das Gehirn verarbeitet multimodale sensorische Informationen in Raum und Zeit und ermöglicht es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, darauf zu reagieren und sogar Vorhersagen dazu zu treffen. Diese sensorische Integration und Verarbeitung ist auf der Ebene der Gehirnregionen bekannt, auf der Ebene der einzelnen Neuronen hingegen ist sie weniger klar. Eine solche Auflösung war bei wachen, sich verhaltenden Tieren lange Zeit unzugänglich. Im über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekt EnlightenedLoom wurden die Reaktionen einzelner erregender Neuronen im somatosensorischen Kortex auf taktilen Input mit einer Kombination aus verhaltensbasierten, optischen und rechnerischen Methoden untersucht.
„Blitzende Schiffchen“ werden mit der Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung sichtbar
Die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Mariangela Panniello, die in der Gruppe „Optische Ansätze für die Gehirnfunktion“ ihres Projektleiters Tommaso Fellin am Italienischen Institut für Technologie (IIT) arbeitet, wählte den Titel ihres Projekts nach den Worten von Charles Sherrington, einem der Väter der modernen Neurophysiologie. „Rasch verwandelt sich das gesamte Gehirn in einen verzauberten Webstuhl, in dem Millionen blitzender Schiffchen vergängliche Muster weben ...“, schrieb er 1942 und nahm damit vieles von dem vorweg, was die Neurowissenschaft heute dank des technologischen Fortschritts erleben darf. Die Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung ermöglicht die gleichzeitige Aufzeichnung der Aktivität großer Populationen von Neuronen mit Einzelzellauflösung. Panniello entwickelte und testete für ihre Bildgebungsexperimente ein neuartiges, kontrollierteres und spezifischeres Verhaltensparadigma im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen – ein Rad, das sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen gegen die Schnurrhaare einer Maus dreht. „Die Daten der Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, die ich bei der Anwendung meines neuartigen Verhaltensparadigmas zur Untersuchung der taktilen Wahrnehmung gewonnen habe, werden eine neue Referenz bei der Untersuchung der somatosensorischen Verarbeitung darstellen“, sagt sie.
Noradrenalin-Wirkungen bei der kortikalen sensorischen Verarbeitung
In der Großhirnrinde werden die spatiotemporalen Feuermuster der erregenden Neuronen durch andere Neuronen und Neurotransmitter je nach Kontext und Erfahrung moduliert. Panniello untersuchte Noradrenalin und seine mögliche Rolle bei der Verarbeitung vertrauter und unerwarteter taktiler Reize im sensorischen Kortex. „Der von mir verwendete Noradrenalin-Sensor – nLight – ist ein neuartiges, leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der Interaktion zwischen Spiking-Aktivität und Neuromodulation in Echtzeit und mit einer noch nie dagewesenen räumlichen Auflösung. Ich habe gezeigt, dass nLight empfindlich und spezifisch genug ist, um in Experimenten mit Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung eingesetzt zu werden – ein lang gehegtes Ziel“, sagt Panniello. Erhebliche technische Probleme hinsichtlich der Empfindlichkeit der derzeitigen Noradrenalin-Sensoren verhinderten die kombinierte Erfassung von Kalziumbildgebungs- und Noradrenalin-Daten während der Projektlaufzeit. Panniello hat jedoch die Grundlagen für die Lösung dieser Probleme und die Durchführung von Experimenten mit kombinierter Bildgebung in der Zukunft geschaffen.
Informationstheorie und primärer somatosensorischer Kortex
Panniello leistete auch Pionierarbeit bei der Erforschung der somatosensorischen Verarbeitung durch Neuroinformatik. „Durch die Anwendung der Informationstheorie auf die Untersuchung der taktilen Verarbeitung im primären somatosensorischen Kortex konnte ich erstmals zeigen, dass die Neuronen in dieser Region nicht nur grundlegende Merkmale von Sinnesobjekten wie Position, Rauheit oder Form darstellen können, sondern auch Informationen, die mit der Wahrnehmung der präsentierten Objekte durch das Tier zusammenhängen.“ Das zugehörige Manuskript wurde kürzlich veröffentlicht. Panniellos multidisziplinäre Studien zur taktilen Verarbeitung im sensorischen Kortex bieten eine neue Perspektive auf die Rolle des sensorischen Kortex bei der Informationsverarbeitung. Sie stellen eine Referenz für neue Studien dar und bilden die Grundlage für das Verständnis der Rolle, die diese Regionen bei neurologischen Erkrankungen spielen, sowie für die Entwicklung gezielter Interventionen, die auf diese Erkrankungen abzielen.
Schlüsselbegriffe
EnlightenedLoom, sensorischer Kortex, Neuronen, Noradrenalin, Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, Neuromodulation, taktile Verarbeitung, erregende Neuronen, Wahrnehmung, somatosensorisch, nLight