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    Entwicklung neuronaler Netzwerke für kognitive Prozesse

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    (S. Bitzenhofer, J. Ahlbeck, S. Reincke, I. Hanganu-Opatz)

    Die Gehirnaktivität während mnemonischer und exekutiver Prozesse beruht auf Interaktionen komplexer neuronaler Netzwerke. Wir haben mit der Aufklärung von zellulären Mechanismen und Netzwerken begonnen, die zu der Entwicklung funktioneller Kommunikation zwischen dem Präfrontalen Kortex, dem Hippocampus und subkortikalen Kernen beitragen. Die Kopplung entfernter Hirnareale während bestimmten Entwicklungsphasen scheint notwendig für die Entwicklung kognitiver Fähigkeiten.

    Wichtige Pubplikationen:

    Marguet, S.L., Le-Schulte, V.T., Merseburg, A., Neu, A., Eichler, R., Jakovcevski, I., Ivanov, A., Hanganu-Opatz, I,L., Bernard. C,, Morellini, F., Isbrandt, D. (2015) Treatment during a vulnerable developmental period rescues a genetic epilepsy. Nat Med. 2015 Nov 23.
    Bitzenhofer, S.H., Sieben, K., Siebert, K.D., Spehr, M., Hanganu-Opatz, I.L. (2015) Oscillatory activity in developing prefrontal networks results from theta-gamma-modulated synaptic inputs. Cell Rep. 1:486-97.
    Brockmann, M.D., Pöschel, B., Cichon, N., Hanganu-Opatz, I.L. (2011) Coupled oscillations mediate directed interactions between prefrontal cortex and hippocampus of the neonatal rat. Neuron 71: 332-347

    Uni-und multimodale Verarbeitung und Entwicklung

    Multisense

    (M. Bieler, I. Hanganu-Opatz)

    Unser Alltag erfordert ständige Interaktion mit der Umwelt, die durch unsere Sinne ermöglicht wird. Um ein einheitliches Wahrnehmungsobjekt zu erhalten, müssen Informationen aus verschiedenen sensorischen Eingängen von weit entfernt liegenden, aber stark verbundenen neuronalen Netzwerken kombiniert werden. Wir untersuchen Mechanismen, Entwicklung und Verhaltensrelevanz der multisensorischen Signalverarbeitung.

    Wichtige Pubplikationen:

    Sieben, K., Bieler, M., Röder, B., Hanganu-Opatz, I.L. (2015) Neonatal Restriction of Tactile Inputs Leads to Long-Lasting Impairments of Cross-Modal Processing. PLoS Biol 13(11):e1002304.
    Sieben, K., Röder, B., Hanganu-Opatz, I.L. (2013) Oscillatory entrainment of primary somatosensory cortex encodes visual control of tactile processing. J Neurosci 33: 5736-49.

    Fehlfunktion neuronaler Netzwerke und ihrer frühen Oszillationen unter pathologischen Bedingungen

    (C. Lindemann, X. Xu, M. Chini, A. Candela, I. Hanganu-Opatz)

    In Abwesenheit offensichtlicher struktureller Defizite werden viele neurologische und neuropsychiatrische Erkrankungen als "Oszillopathien" betrachtet, das heißt, Krankheiten der Fehlverschaltung, die nach abnormaler funktionaler Kommunikation durch oszillatorische Rhythmen zwischen verschiedenen Hirnarealen auftreten. Es wird vermutet, dass diese funktionalen Defizite schon während der Entwicklung entstehen. Wir untersuchen Tiermodelle der Schizophrenie und der perinatalen Hypoxie-Ischämie, um die abnormale Reifung dieser Schaltkreise und die krankeitsrelevanten Verhaltensdefizite zu identifizieren.

    Wichtige Pubplikationen:
    Domnick, N.K., Gretenkord, S., De Feo, V., Sedlacik, J., Brockmann, M.D., Hanganu-Opatz, I.L.(2015) Neonatal hypoxia-ischemia impairs juvenile recognition memory by disrupting the maturation of prefrontal-hippocampal networks. Exp Neurol 273:202-14.
    Andreou, C., Nolte, G., Leicht, G., Polomac, N., Hanganu-Opatz, I.L., Lambert, M., Engel, A.K., Mulert, C. Increased resting-state gamma-band connectivity in first-episode schizophrenia. Schizophrenia Bull161: 299-307.
    Brockmann, M.D., Kukovic, M., Schönfeld, M., Sedlacik, J., Hanganu-Opatz, I.L. (2013) Hypoxia-ischemia disrupts directed interactions within neonatal prefrontal-hippocampal networks. PLoS One 8: e83074.

    Sensorische Kontrolle der Reifung kognitiver Informationsverarbeitung

    (S. Gretenkord, J. Kostka, I. Hanganu-Opatz)

    Während sensorische Wahrnehmung und kognitive Verarbeitung konstante Forschungsthemen in der neurowissenschaftlichen Literatur darstellen, wurden sie selten zusammen untersucht. Das gilt besonders für ihre Entwicklung. Die größtenteils getrennte Untersuchung sensorischer und kognitiver Entwicklung stammt daher, dass die meisten sensorischen Systeme am Anfang des Lebens unterentwickelt sind, und daher ihr Einfluss auf die Bildung neuronaler Netze für kognitive Verarbeitung für vernachlässigbar gehalten wurde. Als eine bemerkenswerte Ausnahme erreicht aber das olfaktorische System volle Reife schon im Uterus, und kontrolliert Mutter-Kind Interaktionen und Überleben. Kürzlich haben wir angefangen, die strukturellen und funktionalen Prinzipien, die der Konnektivität und Kommunikation zwischen Riechkolben und Gedächtnis-relevanten limbischen Schaltkreisen während der neonatalen und juvenilen Entwicklung unterliegen, zu untersuchen.

  • Electrophysiological methods

    EphysSetup

    • In vivo extracellular and patch-clamp recordings from neonatal/young rodents
    • Pharmacological manipulation of neuronal activity
    • in vivo Field potential recordings of cortical slices
    • Whole-cell patch-clamp recordings of cortical neurons in neonatal slices and embryonal cortical preparations
    • Gramicidin- and amphotericin B-perforated patch-clamp recordings

    Optogenetics / In utero electroporation

    IUEOpto

    • Age- and layer-specific transfection of different neuronal subpopulations by in utero electroporation
    • Optogenetic manipulation of different neuronal populations in combination with in vivo and in vitro electrophysiology
    • Testing of novel optogenetic tools

    Fluorescence & confocal microscopy

    Tracing

    • Neurolucida reconstruction of dendritic and axonal tree of biocytin-stained cortical neurons (in collaboration with Dr. Jochen Staiger – University of Freiburg)
    • Imaging of calcium transients in large neuronal populations

    Molecular biology

    PCR

    Multiplex single-cell RT-PCR

    Histology

    Tracing

    • Identification of recorded cells using biocytin-staining or Lucifer yellow filling
    • DiI, Fluorogold & BDA tracing of axonal projections
    • Immunohistochemistry (cholinergic, serotonergic, dopaminergic system)

    Behavioral analysis

    • Ultrasonic vocalization in pups
    • Prepuls inhibition
    • Delayed-spatial win-shift