Fast modulation of olfactory signaling and behavior by the mouse anterior olfactory nucleus

Medinaceli Quintela, Renata; Rothermel, Markus (Thesis advisor); Kampa, Björn M. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Unsere Sinnesorgane nehmen ständig eine enorme Menge an Informationen aus einer stark multisensorischen Umwelt auf. Unsere Wahrnehmung basiert jedoch nicht nur auf externen Reizen, sondern wird auch wesentlich durch so genannte Top-down-Projektionen geprägt. Top-down-Projektionen verbinden die oberen Hirnareale mit vorgelagerten Strukturen, mit dem Zweck die sensorische Reizverarbeitung aktiv und kontextabhängig zu steuern und die Verhaltensreaktionen entsprechend anzupassen. Obwohl Top-down-Projektionen oft vernachlässigt werden, ist ihr Vorhandensein ein inhärentes Merkmal aller sensorischen Bahnen. Das olfaktorische System bildet hier keine Ausnahme. Die Modulation der Geruchsinformationen findet bereits in seiner frühesten Verarbeitungsstufe, dem olfaktorischen Bulbus (OB), statt. Der OB wird stark von kortikalen Top-down-Projektionen innerviert, die ihren Ursprung im piriformen Kortex und in größerem Umfang im anterioren olfaktorischen Nukleus (AON) haben. Funktionell ist wenig über die Top-down-Projektionen des AON bekannt, da bisher nur wenige Studien versucht haben, sie zu charakterisieren. Hier haben wir den Beitrag von AON in der frühen olfaktorischen Reizverarbeitung und des geruchsabhängigen Verhaltens mit Hilfe von Optogenetik in Kombination mit modernsten Messtechniken untersucht. In anästhesierten Mäusen haben wir selektiv ChR2-exprimierende AON-Projektionen im OB aktiviert und parallel dazu elektrophysiologische Mehrkanal-Messungen von durch sensorische Stimuli ausgelöste Mitral- und Tufted-Zellen(MTC)-Antworten gemessen. Wir haben gezeigt, dass die optische Aktivierung der AON-Fasern sowohl die spontane als auch die durch Düfte ausgelöste MTC-Aktivität signifikant reduzierte. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Messung von MTC-Antworten im wachen Tier nach der Aktivierung von AON-Somata erzielt, was zeigt, dass die AON-bedingte Modulation der OB-Aktivität über verschiedene Gehirnzustände hinweg anhält. Andererseits führte die AON-Photoinhibition zu einer erhöhten MTC-Aktivität, was darauf hindeutet, dass die AON-Projektionen den OB-Output bidirektional modulieren können. Die Wirkung der Modulation wurde weiter auf Verhaltensebene untersucht. Eine optische AON Aktivierung unterdrückte die Verhaltensreaktionen auf Düfte, während eine Hemmung des AON die Genauigkeit der Geruchsunterscheidung verringerte. Obwohl ein kausaler Zusammenhang zwischen den physiologischen und verhaltensbedingten Veränderungen noch nicht geklärt ist, haben wir die Durchführbarkeit einer Strategie zur Messung der MTC-Aktivität als Reaktion auf die AON-Stimulation bei wachen, trainierten Mäusen mit Hilfe von Widefield Imaging und Zwei-Photonen-Mikroskopie getestet. Durch die starke Hemmung des OB-Outputs wird die Übertragung von Duftsignalen an den olfaktorischen Kortex verhindert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der AON ein wirksamer Modulator der Geruchswahrnehmung und des olfaktorisch gesteuerten Verhaltens ist. 

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare und systemische Neurophysiologie [162320]