Developing a multiscale optical interrogation of interneuron dynamics in the rodent sensory cortex
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Die sensorische Verarbeitung im Kortex hängt von den Feinheiten der säulenförmigen
Mikroarchitektur sowie dem lokalen Erregungs-Hemmungs-Gleichgewicht ab, das selbst
durch den globalen Erregungszustand des Gehirns beeinflusst wird. Schnell feuernde korticale Interneurone, die Parvalbumin exprimieren, besitzen eine zentrale Position in diesem Informationsverarbeitungsnetzwerk. Hier haben wir optische und elektrophysiologische Aufnahmetechniken etabliert und kombiniert eingesetzt, um den globalen Erregungszustand mit sehr lokalen sensorischen Reaktionen im Barrelkortex zu vergleichen. Diese Methoden setzten wir als Grundsteine von eine minimal invasive optik-exklusive Physiologie ein. In einer ersten Phase haben wir eine optische alziumaufzeichnung in Kombination mit lokalen Feldpotentialaufzeichnungen (LFP) verwendet, um sensorische Aktivierung zwischen optogenetischer und sensorischer Stimulation unter verschiedenen Anästhesiebedingungen zu vergleichen. Wir fanden heraus, dass die Kalziumfaserphotometrie ein zuverlässiger Proxy für die elektrische Aktivität ist und dass die panneuronale optogenetische Stimulation zu einer kortikalen Aktivierung führt, die mit der peripheren Stimulation vergleichbar ist. Wir haben gezeigt, dass in Übereinstimmung mit früheren Daten im visuellen Kortex der primäre sensorische Kortex der Vorderpfote unter tiefer (1,5 %) Isofluran- oder unter MedetomidinAnästhesie unterschiedlich reagiert. Unter hoher Isoflurananästhesie beobachteten wir langsame Wellen, während unter Medetomidin individuelle Reaktionen auf sich wiederholende Reize sichtbar waren. Anschließend untersuchten wir die Rolle von Parvalbumin- Interneuronen bei der sensorischen Verarbeitung im Barrelkortex unter Verwendung einer Kombination aus invivoMehrelektrodenaufzeichnungen und Optogenetik. Wir fanden heraus, dass die Hemmung von PV-Interneuronen nach sensorischer Stimulation die neuronale Reaktion maximal verstärkt, wenn sie mit den ersten 20ms nach der Stimulation einhergeht. Die Steigerung der PV-Aktivität führte zu gegenteiligen
rgebnissen, indem die sensorisch evozierte neuronale Aktivität reduziert wurde. Die optogenetische Modulation von PV-Neuronen induzierte eine Änderung der Multi-Unit-Aktivität, aber nicht im LFP von benachbarten barreln. Das Hauptbarrel wurde ebenfalls nicht signifikant durch optogenetische Stimulation beeinflusst. Jedoch zeigte sich eine unerwartet starke seitliche Hemmung, die durch PV-Interneuronen erzeugt wird. Wir
Entwickelten und setzten ein Modell der Menge Neuronen bei Optogenetik
effizient betroffen ein. Dieses Modell setzten wir dann im Barrel Kortex und Riechkolben mit befriedigenden Ergebnissen ein. Wir verwendeten daraufhin Intrinsic Optical Imaging, um zunächst die Position einzelner Barrel zu identifizieren. Wir stellten fest, dass in einem PRG-1 KO Mausmodell die Barrelgröße significant verringert ist. Dann verwandten wir dieselbe Technik und erreichten ein Proof-of-Principle-Single-Barrel-Targeting mit Opsinen. Wir etablierten dann eine allgemeine Methode für die Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung im Barrelkortex von anästhesierten Mäusen. Dazu haben wir ein Protokoll zur Identifizierung einzelner Barrel mithilfe der Epifluoreszenz-Bildgebung von Gcamp-Fluoreszenzänderungen erstellt. Nachdem es uns allerdings nicht gelungen war, die
ensorisch evozierte Aktivität zuverlässig in anästhesierten Tieren aufzuzeichnen, haben wir ein vollständiges Protokoll für die Aufzeichnung der sensorisch evozierten Aktivität bei wachen, kopffixierten Mäusen auf einem luftgepolsterten Styroporball erstellt. Schließlich haben wir Aufzeichnungen der durch Schnurrhaare hervorgerufenen Aktivität bei wachen verhaltenden Mäusen erstellt, was generell die Möglichkeit transversaler Aufzeichnungen eröffnet.