Neural correlates of neighboring vibrissae discrimination in the primary somatosensory cortex

Gardères, Pierre-Marie; Kampa, Björn Michael (Thesis advisor); Feldmeyer, Dirk (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Das Verständnis des neuronalen Codes, z.B. wie Informationen in den räumlich-zeitlichen Merkmalen der Hirnaktivität abgebildet werden, ist eines der Hauptziele der Systemneurowissenschaften. Aus der Sicht der Experimentatoren gibt es im Wesentlichen zwei Ansatzpunkte für das Problem, nämlich an der Schnittstelle zwischen dem Gehirn und der Außenwelt. Wir können testen, ob die neuronale Aktivität entweder die Eingänge (eingehende sensorische Informationen) oder die Ausgänge (motorische Aktivität) des Individuums abbildet. In dieser Arbeit verwende ich den primären somatosensorischen Kortex der Schnurrhaare (wS1) als Modell für neokortikale Schaltkreise. Insbesondere konzentriere ich mich auf den neuronalen Code, der mit taktilen Reizen und deren Wahrnehmung verbunden ist. In einer ersten Reihe von Experimenten untersuche ich die Eigenschaften des neuronalen Codes für passiv-taktile Eingaben in Schicht 2/3. Es ist bekannt, dass in dieser Struktur des Neokortex ein spärlicher Code verwendet wird, was bedeutet, dass ein kleiner Teil der Neuronen über Wochen und Monate hinweg zuverlässig auf denselben Schnurrhaarreiz reagiert. Die funktionellen Eigenschaften von Neuronen mit hoher Reaktionsfähigkeit werden jedoch in der Regel in vivo untersucht, wobei ihre morphologischen und elektrophysiologischen Eigenschaften kaum zugänglich sind. Wir werden dieses Problem mithilfe einer Opto-Tagging-Strategie lösen, die es uns ermöglicht, hochreaktive Neuronen in vivo zu identifizieren und zu markieren. Dieselben Neuronen können später in Ex-vivo-Schnitten wiedergefunden werden, um ihre morphologischen und elektrophysiologischen Eigenschaften genau zu charakterisieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Neuronen, die stark auf Schnurrhaare reagieren, keine erhöhte Erregbarkeit aufweisen. Stattdessen könnte ihre erhöhte Reaktionsfähigkeit auf eine höhere Rate an erregenden Inputs mit hoher Amplitude zurückzuführen sein. Eine in vivo durchgeführte funktionelle Analyse deutet darauf hin, dass es sich bei den hochreaktiven Neuronen um "Hub-Zellen" handeln könnte, die konvergierende Eingänge erhalten und stark miteinander verbunden sind. In einer zweiten Studie werde ich die Rolle der von der kortikalen Schicht 2/3 hervorgerufenen Aktivität auf die Wahrnehmung während eines taktil gesteuerten Verhaltens untersuchen. Es ist bekannt, dass die sensomotorische Transformation über ein Netzwerk von sensorischen und nicht-sensorischen Arealen verteilt ist, aber die Rolle der primären sensorischen Areale bleibt unklar. Ich habe einen neuen Versuch entwickelt, bei dem die Frequenz benachbarter Schnurrhaare unterschieden werden muss und sowohl die neuronale als auch die Wahrnehmungsfähigkeit von Mäusen bei charakterisiert wir. Wir fanden heraus, dass die Unterdrückung mehrerer Schnurrhaare (eine dominante Berechnung in der kortikalen Schicht 2/3) den Vergleich von Frequenzen über den gesamten Bereich der getesteten Reize ermöglicht und die Variabilität der sensorischen Reaktion verringert, was für die Auslesemechanismen rechnerisch von Vorteil ist. Außerdem haben wir herausgefunden, dass die Verhaltensaktivität mit einer selektiven Aufwärtsmodulation der sensorischen Verstärkung einzelner Schnurrhaarsignale verbunden ist. Darüber hinaus zeige ich, dass das abwechselnde optogenetische Inhibition der beiden Schnurrhaar-Stammareale zu selektiven Verzerrungen der sensorischen Wahrnehmung führt und somit die Schnurrhaar-Repräsentation in wS1 kausal mit der Wahrnehmung der Schnurrhaar-Stimulationsintensität verknüpft ist. Die Signale, die sich auf die Entscheidung widerspiegeln, waren jedoch schwach und ihre neuronale Repräsentation korrelierte kaum mit der sensorischen Kodierung von Frequenzen. Unsere Ergebnisse veranschaulichen die Rolle von wS1 bei der Bildung einer zuverlässigen neuronalen Repräsentation für die Unterscheidung von Schnurrhaarfrequenzen.

Einrichtungen

• JARA-BRAIN [080010]
• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare und systemische Neurophysiologie [162320]
• [529500-2]