Cholinergic and GABAergic neuromodulatory basal forebrain projections differentially influence early sensory circuits in the mouse olfactory bulb

• Differenzielle Beeinflussung der frühen sensorischen Schaltkreise im olfaktorischen Bulbus der Maus durch cholinerge und GABAerge neuromodulatorische basale Vorderhirn-Projektionen

Böhm, Erik; Rothermel, Markus (Thesis advisor); Kampa, Björn M. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Sensorische Filtermechanismen sind von entscheidender Bedeutung, um relevante Informationen aus einer Umgebung zu isolieren, die eine Vielzahl an sensorischen Reizen enthält. Diese lebenswichtigen Prozesse sind zum Teil aufmerksamkeitsgetrieben und können, wenn sie gestört sind, zu Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitäts- und Autismus-Spektrum-Störung führen. Allerdings sind diese sensorischen Filtermechanismen noch nicht vollständig erforscht. In dieser Dissertation untersuchten wir den Einfluss des basalen Vorderhirns (BF) auf die olfaktorische sensorische Verarbeitung. Das BF ist ein neuromodulatorisches Zentrum mit mehreren Output-Projektionen, in denen es eine wichtige Rolle bei der Regulation von Aufmerksamkeit einnimmt. Hauptsächlich von einer BF-Subregion, dem so genannten horizontalen Band von Broca (HDB), ausgehende cholinerge und GABAerge Projektionsneurone, innervieren den olfaktorischen Bulbus (OB). Obwohl das cholinerge BF System umfangreich untersucht worden ist, führten Studien, die sich auf cholinerge BF Modulationseffekte des OB-Outputs konzentrierten oft zu kontroversen Ergebnissen hinsichtlich der Modulationseffekte und ihrer potenziellen Funktionen. Dagegen sind die Auswirkungen der GABAergen BF-Modulation auf die olfaktorische Verarbeitung bisher kaum untersucht worden, mit erheblichen Wissenslücken bezüglich in vivo-Aufnahmetechniken mit schneller zeitlicher Auflösung. Daher verglichen wir die optogenetischen Modulationseffekte zwischen cholinergen und GABAergen BF-Projektionsneuronen auf Mitral- und Büschelzellen (MTCs), den wichtigsten OB-Outputneuronen. Wir verwendeten eine Mauslinie, die Cre unter Kontrolle des ChAT- oder Gad2-Promotors exprimiert. Durch lokale Injektion eines Cre-abhängigen viralen Expressionsvektors (entweder Channelrhodopsin-2 (ChR2), Halorhodopsin (HR) oder Archaerhodopsin (ARCH)) in den HDB zielten wir selektiv auf cholinerge oder GABAerge BF-Neurone ab. Mit Hilfe extrazellulärer in vivo Aufnahmen in anästhesierten Mäusen konnten wir zeigen, dass durch die optogenetische Stimulation cholinerger BF-OB Fasern ein exzitatorischer Bias auf die MTC-Feuerrate addiert wurde. Dies führt zu der Annahme, dass der cholinerge BF-Input in den OB als Baseline-Kontrollmodell fungiert und die Detektierbarkeit von Duftstoffen verbessert. Im Gegensatz dazu verringerte die optogenetische Stimulation der GABAergen BF-Fasern im OB überwiegend die spontane MTC-Feuerrate, wohingegen geruchsinduzierte Spikes hauptsächlich verstärkt wurden. Dieser bimodale Effekt könnte theoretisch aufmerksamkeitsreguliert sein. Wir nahmen an, dass entgegen der klassischen Sichtweise die GABAerge BF-Modulation ein wichtiger Faktor bei aufmerksamkeitskontrollierten Filterprozessen des sensorischen Inputs sein könnte, die bekanntermaßen die Unterscheidung von Duftstoffen verbessern. Um zu untersuchen, unter welchen Verhaltensbedingungen die beiden HDB-Subpopulationen aktiv sind, haben wir ein Multi-Tetroden-Array (MTA) adaptiert und etabliert. In den ersten preliminären Aufnahmen von passiv-trainierten Mäusen konnten wir in HDB-Neuronen geruchsinduzierte Aktivität feststellen, was die Hypothese einer Bottom-up-Verbindung vom OB zum BF unterstützt. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass das BF als einzelne Region den OB-Output durch seine beiden Subpopulationen unterschiedlich moduliert, was zu einer dynamischen Modulation der sensorischen Verarbeitung als Reaktion auf verschiedene Verhaltensaufgaben führen könnte.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]
• Fachgruppe Biologie [160000]