Projektbeschreibung
Synchronisierung von Hirnstamm und Hippocampus als Basis der Gedächtnisbildung
Struktur- und Funktionskarten von Hirn und Hirnstamm liefern wichtige Einblicke in neuronale Schaltkreise und deren Vernetzung. In Kombination mit Verhaltensstudien können solche vernetzten Aktivitäten mit höheren Funktionen assoziiert werden. Obwohl die wichtige Rolle, die der Hippocampus bei Gedächtnisprozessen spielt, schon länger bekannt ist, weiß man noch wenig über den Beitrag des Hirnstamms. Gesichert ist bislang, dass die Synchronisation von Aktivitäten die Gedächtnisbildung beeinflusst und dass der Hirnstamm diese Synchronisation im Schlaf- und Wachzustand moduliert. Das Projekt DREAM zeichnet gleichzeitig neuronale Aktivitäten in Hirnstamm als auch Hippocampus von Mäusen auf, die Gedächtnisaufgaben lösen oder schlafen. Mit modernsten Signalverarbeitungsmethoden und maschinellem Lernen soll so ein Modell der dynamischen Interaktion zwischen Hirnstamm und Hippocampus und deren Einfluss auf die Gedächtnisbildung entstehen.
Ziel
Storing information and then using it to guide behaviour is one of the most remarkable abilities of the brain. Memory storage relies on network mechanisms in which the hippocampal formation interacts with the rest of the brain during periods of sleep. The neural computations associated with this process correlate with both enduring and transient changes in the excitability of neural circuits. Nuclei located in the brainstem dictate these ‘state changes’, modulating the signalling between groups of forebrain cells. However, the role of the brainstem in memory formation remains unknown. This project aims to determine the role of different sleep stages in memory formation and long-term consolidation, and to elucidate the functional role of the brainstem in these processes. To this end, I will use a battery of experimental techniques, mathematical methods and biophysical models to probe and analyse the neural activity of the brainstem-hippocampal system. Neuronal activity will be recorded concurrently from the pons, thalamus and hippocampus of mice while performing a reference memory task. I will identify specific neural mechanisms that trigger different hippocampal synchrony regimes and memory reactivations mediated by brainstem activity during wakefulness and sleep. For this, I will develop state-of-the-art methods based on signal processing and machine learning. Besides, using optogenetic tools, I will determine the causal role of the brainstem in regulating hippocampal circuits and the animals’ behavioural performance. Finally, I will develop a biophysical model to test how well different network mechanisms explain the dynamics of the interactions between the brainstem and the hippocampus. Understanding the detailed properties of the interactions between these systems of the brain in relation to memory processes will be an important step toward establishing neurophysiological markers that can be preventive targets to ameliorate effects of memory-related pathologies.
Wissenschaftliches Gebiet
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3400 Klosterneuburg
Österreich