AG BioImaging

>> Forschungsschwerpunkte

Wir verwenden modernste optische und elektrophysiologische Methoden wie schnelle konfokale Kalzium-Bildgebung, 2-Photonen Mikroskopie und patch clamp Ableitungen und konzentrieren uns hauptsächlich auf zwei wissenschaftliche Fragestellungen:

Was sind die zellulären Mechanismen von Lernen und Gedächtnis?

Wir möchten verstehen, wie die Übertragung an den Verbindungen zwischen den Neuronen verändert werden kann. Diese sogenannte synaptische Plastizität wird als die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis im Gehirn angesehen.

Was sind die charakteristischen Eigenschaften der Aktivität neuronaler Netzwerke unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen im Gehirn?

Wir möchten verstehen wie neuronale Netzwerke im Gehirn sensorische Information verarbeiten und welche Mechanismen bei Erkrankungen wie Epilepsie oder Hirninfarkt diese Verarbeitungen stören.

Regulation des Blutflusses im Gehirn

In diesem Projekt soll der Einfluss von Häm und seinen Abbauprodukten auf den Gefäßdurchmesser zerebraler Gefäße am Modell des akuten Hirnschnitts der Maus untersucht werden. In diesem Zusammenhang wird vor allem die Rolle der Slo1-Kanäle bei der Repolarisation der glatten Muskulatur während der Gefäßaufweitung analysiert. Die Inaktivierung dieser Kanäle durch Häm oder seine Abbauprodukte wird für die Entstehung eines zerebralen Vasospasmus, einer häufigen Komplikation nach Hirnblutungen, verantwortlich gemacht.

Gehirnentwicklung (Knut Kirmse, Knut Holthoff)

GABA ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im adulten Gehirn. In frühen Entwicklungsstadien jedoch wirkt GABA vorwiegend depolarisierend-exzitatorisch (siehe Abbildung). Ausgehend von der Hypothese einer aktivitätsabhängigen Optimierung neuronaler Schaltkreise bearbeiten wir in diesem Projekt die Fragestellung, welche entwicklungsbiologische Relevanz der GABA-vermittelten Exzitation zukommt.

Dendritische Mechanismen synaptischer Plastizität

In diesem Projekt werden dendritische Mechanismen von synaptischer Plastizität untersucht. In Schicht 5 Neuronen des visuellen Kortex der Maus löst eine starke lokale afferente synaptische Stimulation ein dendritisches Aktionspotenzial aus. Dieses dendritische Aktionspotenzial ist von einer lokal begrenzten Kalziumkonzentrations-Erhöhung begleitet (siehe Abbildung). Ein einziges dieser dendritischen Aktionspotenziale ist in der Lage, synaptische Plastizität in Form einer Langzeit-Depression (LTD) auszulösen.

>> Projekte:

Publikationen

2025

Demme N, Shadaydeh M, Schieder L, Doerfel C, Jähkel S, Holthoff K, Proquitté H, Denzler J, Graf J (2025) Towards unobtrusive sleep stage classification in preterm infants using machine learning. Biomed Signal Process Control 108, 107904. https://doi.org/10.1016/j.bspc.2025.107904

2024

Weiler S, Teichert M, Margrie TW (2024) Layer 6 coricocortical cells dominate the anatomical organization of intra and interhemispheric feedback, eLife. https://doi.org/10.7554/eLife.100478.1

Weiler S, Rahmati V, Isstas M, Wutke J, Stark AW, Franke C, Graf J, Geis C, Witte OW, Hübener M, Bolz J, Margrie TW, Holthoff K, Teichert M. A primary sensory cortical interareal feedforward inhibitory circuit for tacto-visual integration. Nat Commun. 2024 Apr 10;15(1):3081. doi: 10.1038/s41467-024-47459-2. PMID: 38594279; PMCID: PMC11003985.

Graf J, Samiree A, Flossmann T, Holthoff K, Kirmse K (2024) Chemogenetic silencing reveals presynaptic Gi/o protein mediated inhibition of synchronized activity in the developing hippocampus in vivo. iScience. DOI: 10.1016/j.isci.2024.110997

Teichert M, Gull S, Herrmann KH, Gaser C, Reichenbach JR, Urbach A, Frahm C, Holthoff K, Witte OW, Schmidt S (2024) Harnessing early multimodal motor training to drive motor recovery and brain-wide structural reorganization after stroke. bioRxiv doi: https://doi.org/10.1101/2024.07.03.601837

Rahmati V, Graf J, Ceanga M, Cuevas Rivera D, Haselmann H, Liebscher S, Prüss H, Holthoff K, Kirmse K, Geis C (2024) Anti-NMDAR encephalitis alters intrinsic spatiotemporal coding by enhancing neuronal coupling and clustering. bioRxiv https://doi.org/10.1101/2024.08.20.608793

2022

Graf J, Rahmati V, Majoros M, Witte OW, Geis C, Kiebel SJ, Holthoff K, Kirmse K (2022) Network instability dynamics drive a transient bursting period in the developing hippocampus in vivo. eLife 11:e82756. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.82756

Weiler S, Rahmati V, Isstas M, Wutke J, Stark AW, Franke C, Geis C, Witte OW, Huebener M, Bolz J, Margrie TW, Holthoff K, Teichert M (2022) A primary sensory cortical interareal feedforward inhibitory circuit for tacto-visual integration. bioRxiv 2022.11.04.515161; doi: https://doi.org/10.1101/2022.11.04.515161

Graf J, Rahmati V, Majoros M, Witte OW, Geis C, Kiebel SJ, Holthoff K, Kirmse K (2022) Network instability dynamics drive a transient bursting period in the developing hippocampus in vivo. bioRxiv doi: https://doi.org/10.1101/2021.05.28.446133

2021

Graf J, Zhang C, Marguet SL, Herrmann T, Flossmann T, Hinsch R, Rahmati V, Guenther M, Frahm C, Urbach A, Neves RM, Witte OW, Kiebel SJ, Isbrandt D, Hübner CA, Holthoff K, Kirmse K (2021) A limited role of NKCC1 in telencephalic glutamatergic neurons for developing hippocampal network dynamics and behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Apr 6;118(14):e2014784118. doi: 10.1073/pnas.2014784118

2020

Seidel RA, Ritter M, Joerk A, Kuschke S, Langguth N, Schulze D, Görls H, Bauer M, Witte OW, Westerhausen M, Holthoff K, Pohnert G (2020) Photoisomerization neutralizes vasoconstricitve activity of a heme degradation product. https://dx.doi.org/10.1021/acsomega.0c01698

Graf J, Zhang C, Marguet SL, Herrmann T, Flossmann T, Hinsch R, Rahmati V, Guenther M, Frahm C, Urbach A, Neves RM, Witte OW, Kiebel SJ, Isbrandt D, Hübner CA, Holthoff K, Kirmse K (2020) Intraneuronal chloride accumulation via NKCC1 is not essential for hippocampal network development in vivo. doi: https://doi.org/10.1101/2020.07.13.200014

Kirmse K, Holthoff K (2020) Chloride transporter activities shape early brain circuit development, Book chapter in ´Neuronal Chloride Transporters in Health and Disease´, Academic Press, ISBN: 9780128153185

Holthoff K (2020) The Janus-face of GABAergic synaptic transmission during brain development. J Physiol. doi: 10.1113/JP279623

2019

Zhang C, Yang S, Flossmann T, Gao S, Witte OW, Nagel G, Holthoff K, Kirmse K (2019) Optimized photo-stimulation of halorhodopsin for long-term neuronal inhibition. BMC Biology 17:95

Kirmse K (2019) Editorial: GABAergic networks in the developing and mature brain. Brain Res. 1718:10-11. doi: 10.1016/j.brainres.2019.04.029

Joerk A, Ritter M, Langguth N, Seidel RA, Freitag D, Herrmann KH, Schaefgen A, Ritter M, Günther M, Sommer C, Braemer D, Walter J, Ewald C, Kalff R, Reichenbach JR, Westerhausen M, Pohnert G, Witte OW, Holthoff K (2019) Propentdyopents as heme degradation intermediates constrict mouse cerebral arterioles and are present in the cerebrospinal fluid of patients with subarachnoid hemorrhage. Circ Res. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.118.31416, commented by R. C. Koehler

Flossmann T, Kaas T, Rahmati V, Kiebel SJ, Witte OW, Holthoff K, Kirmse K (2019) Somatostatin Interneurons Promote Neuronal Synchrony in the Neonatal Hippocampus, Cell Rep 26(12):3173-3182.e5, https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.02.061

2018

Prüss H, Kirmse K (2018) Pathogenetic role of autoantibodies against inhibitory synapses. Brain Res 1701:146-152. doi: 10.1016/j.brainres.2018.09.009.

Haselmann H, Mannara F, Werner C, Planaguma J, Miguez-Cabalo F, Schmidl L, Grünewald B, Petit-Pedrol M, Kirmse K, Classen J, Demir F, Klöcker N, Soto D, Doose S, Dalmau J, Hallermann S and Geis C (2018) Human autoantibodies against the AMPA receptor subunit GluA2 induce receptor reorganisation and memory dysfunction. Neuron DOI: 10.1016/j.neuron.2018.07.048.

Lukas M, Holthoff K, Egger V (2018) Long-Term Plasticity at the Mitral and Tufted Cell to Granule Cell Synapse of the Olfactory Bulb Investigated with a Custom Multielectrode in Acute Brain Slice Preparation. Methods Mol Biol 1820:157-167. doi: 10.1007/978-1-4939-8609-5_13.

Rahmati V, Kirmse K, Holthoff K, Kiebel SJ (2018) Ultra-Fast Accurate Reconstruction of Spiking Activity from Calcium Imaging Data. J Neurophysiol doi: 10.1152/jn.00934.2017.