Multiphotonen-Bildgebung von Hippocampus-Netzwerken
Wie können wir die Aktivität einzelner Hippocampus-Neurone und -Schaltkreise direkt beobachten, während Erinnerungen gebildet und durch Verhalten verfeinert werden? Um dies zu untersuchen, nutzt unser Labor die Multiphotonenmikroskopie, um die neuronale Aktivität in lebenden Tieren mit hoher räumlicher Auflösung in Echtzeit zu beobachten. Diese optische Technik ermöglicht die gleichzeitige Aufzeichnung von Hunderten von Neuronen mit Einzelzellauflösung in tiefen Hirnregionen wie dem Gyrus dentatus und dem Hippocampus, zwei Strukturen, die für das Lernen und das Gedächtnis von entscheidender Bedeutung sind.
Mithilfe genetisch kodierter Kalziumindikatoren (GECIs) markieren wir spezifisch neuronale Populationen – darunter Körnerzellen des Gyrus dentatus und Pyramidenzellen des Hippocampus – und überwachen Veränderungen ihrer intrazellulären Kalziumkonzentrationen im Zusammenhang mit der Auslösung von Aktionspotenzialen. Eine wesentliche Stärke dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, die spontane Aktivierung desselben Neuronenensembles über Tage oder sogar Wochen hinweg zu verfolgen. Auf diese Weise können wir beobachten wie sich neuronale Repräsentationen der Umgebung entwickeln, neu organisieren oder verschieben während ein Tier neue Erinnerungen erwirbt und verfeinert.
Um die Dynamik neuronaler Netzwerke unter verschiedenen Versuchsbedingungen zu untersuchen, verwenden wir sowohl stationäre Tisch-Multiphotonenmikroskope als auch neuartige, miniaturisierte, am Kopf befestigte Multiphotonensysteme. Durch die Integration unseres Tischsystems in eine Virtual-Reality-basierte Navigationsaufgabe können wir die Netzwerkaktivität des Hippocampus bei Tieren mit fixiertem Kopf unter präzise kontrollierten Versuchsbedingungen aufzeichnen. Umgekehrt ermöglicht uns die miniaturisierte, am Kopf befestigte Multiphotonen-Bildgebung, die neuronale Aktivität während natürlicher Verhaltensweisen zu verfolgen, während die Tiere ihre Umgebung frei erkunden. Durch die Kombination von hochauflösender Multiphotonen-Bildgebung mit ausgefeilten Verhaltensparadigmen verbinden wir Aktivitäten auf zellulärer und Schaltkreisebene mit Verhalten und Kognition. Dies bietet einen Rahmen für das Verständnis der grundlegenden neuronalen Mechanismen, die Lernen, Gedächtnis und höhere Kognition unterstützen.