Plastizität des Hippocampus, Repräsentation und Gedächtnis bei Stress

Um die neuronale Plastizität und Repräsentation (Abbildung) von Erinnerungen im Hippocampus von Mäusen zu untersuchen, benutzen wir hauptsächlich in vivo optische Bildgebungsverfahren. Außerdem nutzen wir molekulare und genetische Methoden, um gezielt Synapsen oder Neuronengruppen zu analysieren und die Aktivität bestimmter Neuronen zu steuern. All diese Methoden ermöglichen es uns, das Zusammenspiel zwischen zellulären Ereignissen und dem Lernvorgang im Hippocampus ausgehend von der molekularen bis hin zur Netzwerkebene  zu untersuchen.

Wie ermöglicht synaptische Plastizität der CA1-Pyramidalneuronen in vivo Lernen und Erinnern und wie beeinflusst Stress diesen Prozess?

Man geht davon aus, dass Synapsen die strukturelle Grundlage für Erinnerungen darstellen. Während man mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie im Neocortex bereits den Zusammenhang zwischen Lernen und Veränderungen der Synapsen beobachten konnte, sind die Vorgänge im Hippocampus noch ungeklärt. Wir möchten die direkte Verknüpfung zwischen synaptischer Plastizität und Lernen in CA1-Neuronen des Hippocampus von Mäusen erforschen und herausfinden, wie Stress auf molekularer Ebene diese Vorgänge beeinflusst. Wir benutzen optische Bildgebungsverfahren, um dendritische Spines der CA1-Neuronen im Hippocampus sichtbar zu machen (Abb. 1) und über längere Zeiträume hinweg die Veränderung der Synapsen bei Mäusen zu untersuchen, die Gedächtnisaufgaben durchführen (Abb. 2).

Dass wir bestimmte Synapsen oder Zellen über lange Zeiträume hinweg beobachten können, ermöglicht es uns, Longitudinalstudien an einem Individuum unter unterschiedlichen Bedingungen durchzuführen (z. B. vor oder nach Stress und vor oder nach Unter-/Überexpression bestimmter molekularer Effektoren). Das erhöht die statistische Aussagekraft enorm und ermöglicht uns, direkte Rückschlüsse auf molekulare, zelluläre oder verhaltensbezogene Phänotypen zu ziehen.

Wie beeinflusst die Plastizität des Hippocampus die neuronale Kodierung, die der Repräsentation (Abbildung) von Erfahrungen in CA1-Neuronen zugrunde liegt?

Die Abbildung einer sich nicht verändernden Umwelt in den CA1-Neuronen ist nicht stabil, sondern verändert sich im Laufe der Zeit. Wir möchten die zellulären Vorgänge bei diesen Veränderungen erforschen, v. a. den Einfluss der präsynaptischen Bereiche. Um herauszufinden, wie die Aktivität vorgeschalteter Bereiche im Hippocampus die Stabilität der CA1-Repräsentation beeinflusst, untersuchen wir die Veränderung der Abbildungen über lange Zeiträume mittels in vivo chronischer Bildgebungsverfahren: in vivo Immediate Early Gene (IEG) Bildgebung (Abb. 3) oder in vivo Ca²⁺ Bildgebung (Ghosh et al., 2011; Ziv et al., 2013) (Film). Wir vereinen Langzeitbildgebung der CA1-Abbildung mit optogenetischer Kontrolle der CA3- und EC-Neuronen, um den Einfluss dieser präsynaptischen Bereiche auf die CA1-Repräsentation aufzuklären.