Nf03_2013 - Pape, Hans-Christian

Optogenetische und elektrophysiologische Ansätze zur Analyse von neuronalen „Furchtschaltkreisen“ im Gehirn der Maus. Mithilfe dieser Ansätze können funktionelle neuronale Verbindungen dargestellt, die neuronale Aktivität gezielt manipuliert und die Bedeutung für konditionierte Furchtreaktionen erfasst werden (Übersicht in Johansen et al. 2012). Grundlage sind lichtaktivierbare Membranproteine (Kanalrhodopsine), die Neurone nach gezielter Infektion in der Plasmamembran exprimieren. Durch Verwendung genetischer Mauslinien, lichtaktivierbarer Proteine mit aktivitätssteigernder oder –hemmender Wirkung, Markern für neuronale Kompartimente oder Funktionen, können in Verbindung mit der Elektrophysiologie synaptische Schaltkreise definierter Neuronenpopulationen erkannt und deren kausale Bedeutung für Verhaltensreaktionen analysiert werden. (A) Schema des experimentellen Ansatzes. Zur Transfektion von Neuronen wird ein adenoassoziierter viraler Vektor (AAV) mit Transgenen von gelb fluoreszierendem Protein (Enhanced Yellow Fluorescent Protein; EYFP) und Kanalrhodopsin (Channelrhodopsin, ChR2) lokal in das Gehirn der Maus injiziert, im gezeigten Beispiel in den Bereich des präfrontalen Kortex (vgl. Abb. 1B). Nachfolgend werden ein Faserlichtleiter zur Lichtstimulation sowie gebündelte Mikroelektroden zur Registrierung neuronaler elektrischer Aktivität implantiert, hier zum Beispiel in den zentralen Kern der Amygdala (CeA, vgl. Abb. 1B). (B) Originaldaten nach Injektion der Amygdala. Die histologische Kontrolle zeigt anhand der EYFP-Fluoreszenz die erfolgreiche Transfektion, und Mikroläsionen dokumentieren die Orte der Lichtstimulation und der elektrophysiologischen Registrierung im zentrolateralen Kern der Amygdala (CeL, vgl. Abb. 1B). (C) Originalregistrierungen von Aktionspotentialen in der CeL der freibeweglichen Maus. (D) Die Analyse der elementaren Komponenten registrierter Aktionspotenziale erlaubt deren Zuordnung zu einzelnen Neuronen. Im gezeigten Beispiel werden drei Neurone der CeL isoliert, deren Farbcodierung der in der Originalregistrierung in (C) entspricht. (E) Die Präsentation des furchtkonditionierten Reizes (CS+) hemmt die elektrische Aktivität eines isolierten CeL Neurons (ein Beispiel für ein Fear-OFF-Neuron; vgl. Abb. 2B). Die Stimulation mit blauem Licht (Lichtpulse, 470 nm, angezeigt durch blaue Dreiecke) reaktiviert die neuronalen Aktionspotenziale aufgrund der Membrandepolarisation bei lichtinduzierter Öffnung der ChR2-Ionenkanäle. Nicht gezeigt sind die resultierenden Verhaltensreaktionen [unveröffentlichte Ergebnisse von Thimo Daldrup, Jörg Lesting, Hanna Szkudlarek; Institut für Physiologie I, Westfälische Wilhelms-Universität Münster].

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