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Cortical circuits underlying visual decision-making behaviors in mice

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Eine unvergleichliche Lichtshow

Es gibt mehr Möglichkeiten als man denkt, wenn es um die komplexen Schaltkreise geht, die der visuomotorischen Verarbeitung und Entscheidungsfindung zugrunde liegen. Eine hochmoderne Technik, welche die gleichzeitige Visualisierung von Tausenden Neuronen in Mäusen mit Alarmverhalten ermöglicht, hat das Gehirn neu beleuchtet.

Grundlagenforschung

Zu einem Verständnis des Informationsflusses durch die hochkomplexen Schaltkreise miteinander verbundener Gehirnzellen zu kommen, stellt eine große Herausforderung dar. Der technologische Fortschritt hat im Laufe der Jahre enorme Fortschritte ermöglicht. Mit der Unterstützung des Einzelstipendienprogramms einer Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme verwendete das Projekt CORVISDEC einen Hochdurchsatz-Ansatz, um Tausende Neuronen in zahlreichen Hirnregionen von Mäusen mit Alarmverhalten zu verfolgen. Analysen haben wichtige wahrnehmungsbezogene, kognitive und motorische Aspekte des Entscheidungsverhaltens aufgedeckt.

Zwei Photonen sind besser als eins

Calcium ist ein wichtiger Signalvermittler im Gehirn, der während der neuronalen Aktivierung in die Neuronen fließt. Das Einbringen eines beim Eintritt von Calcium fluoreszierenden Proteins in die Neuronen verstärkt das Signal für die Erfassung der Zwei-Photonen-Bildgebung. Lauren Wool vom Queen Square Institut für Neurologie, University College London und Stipendiatin der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen erklärt: „Im Gegensatz zur herkömmlichen Mikroskopie, bei der ein kurzwelliges Photon zur Anregung eines fluoreszierenden Moleküls verwendet wird, liefert die Zwei-Photonen-Bildgebung zwei langwellige Photonen (im Nahinfrarotspektrum). Nahinfrarot-Photonen streuen nicht, bleichen Photonen nicht und schädigen das Gewebe nicht so stark. Dadurch kann die Gehirnaktivität im Laufe der Zeit stabil hochauflösend und dreidimensional sichtbar gemacht werden.“ Diese nichtinvasive Technik ermöglicht Forschenden die Abbildung der Gehirnaktivität, während eine Maus eine Verhaltensaufgabe ausführt. Die Daten wurden von den Labor-Alumni Carsen Stringer und Marius Pachitariu mithilfe von quelloffener SuiteP-Software analysiert und visualisiert.

Zusammen aber getrennt – oder nicht?

Das Projekt CORVISDEC konzentrierte sich während einer Verhaltensaufgabe auf den motorischen Kortex. Die Mäuse beobachteten visuelle Hinweise auf Computerbildschirmen, mussten sich an die Konsequenzen ihrer vorherigen Handlungen erinnern und entscheidende belohnungsgebundene Bewegungen ausführen. Zusammengenommen kann die Überwachung der neuronalen Aktivität in dieser facettenreichen Aufgabe zeigen, wie all diese Informationen zur Unterstützung der Entscheidungsfindung und anschließender Bewegung zusammenkommen. Die Überwachung kann auch Aufschluss darüber geben, ob oder wie sich die kortikale Aktivität unterscheidet, wenn die Maus eine gute Leistung erbringt und wenn nicht. Untersuchungen über die Jahre haben gezeigt, dass bestimmte Regionen wie der visuelle und motorische Kortex ihre eigenen Informationen getrennt verarbeiten und an andere Regionen weitergeben, in denen die Modalitäten für eine höhere Funktion zusammenkommen. Wool erläutert: „Eine der aufregendsten und unerwartetsten Erkenntnisse vom Projekt CORVISDEC war, dass Gehirnbereiche, von denen zuvor angenommen wurde dass sie sich funktional unterscheiden, tatsächlich ziemlich heterogen und komplex sind. Der motorische Kortex hat eine beträchtliche Anzahl an auf visuelle Reize reagierenden Neuronen und wir beobachten viele bewegungsbezogene Reaktionen im visuellen Kortex. Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, bis wir ein vollständiges Verständnis darüber haben. Die von vielen Tausenden, gleichzeitig aktiven Neuronen gesammelte sehr große Datenmenge bietet jedoch eine einzigartige Gelegenheit zur Untersuchung.“

Vernetzbarkeit geht über das Gehirn hinaus

Zusammen mit 21 anderen Labors bildete das Labor von Wool das International Brain Laboratory – eine globale neurowissenschaftliche Zusammenarbeit, die sich dem Verständnis von Gehirnschaltungen mit komplexem Verhalten widmet. Zu seinen Zielen gehören die Erweiterung und Standardisierung neurowissenschaftlicher Methoden sowie die gemeinsame Nutzung gesammelter Daten. „Während des Projekts CORVISDEC habe ich Strategien und Richtlinien zur Unterstützung der Zusammenarbeit entwickelt. Mein Artikel über unsere Organisationsstruktur als Fahrplan für zukünftige Kooperationen in den Neurowissenschaften und darüber hinaus wird in der Dezember-Ausgabe 2020 der Fachzeitschrift ‚Current Opinion in Neurobiology‘ veröffentlicht.“ Während das Team seine Ergebnisse weiterhin veröffentlicht, teilen Forschende öffentlich alle Daten, Analysen und Codes, um das Potential der globalen Zusammenarbeit weiter auszuschöpfen und die Geheimnisse des Gehirns aufzudecken.

Schlüsselbegriffe

CORVISDEC, Gehirn, Neuronen, Kortex, Verhalten, Calcium, Zwei-Photonen-Bildgebung, Entscheidungsfindung, kortikale Aktivität, International Brain Laboratory

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