Der laterale Hypothalamus (LH) reguliert angeborene Verhaltensweisen. Ob und wie die Koordination von hypothalamischen Neuronengruppen Verhaltensübergänge reguliert, blieb jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wurde Optogenetik mit neuronalen Ableitungen in verhaltenden Mäusen kombiniert. LHVgat Neurone erhöhten ihre Aktivitätsrate während Übergängen vom NREM-Schlaf zum Wachzustand. LHVgat Zellen projizieren zum Nucleus reticularis des Thalamus (RTN). Optogenetische Aktivierung von Vgat Ausgängen im RTN führte eine starke, frequenzabhängige Inhibierung von RTN Zellen herbei und replizierte Verhaltenszustands-abhängige Aktivitätsraten in RTN Neuronen. Ableitungen von LH Neuronen während Umgebungserkundung ergaben, dass 65% der LH Neurone ihre Aktivitätsrate erhöhten, wenn das Tier began sich fortzubewegen. 'Top-down’ Vorderhirn Innervation des LH erfolgt größtenteils durch Signale ausgehend vom lateralen Septums (LS). Während spontaner Umgebungserkundung und freiem Zugang zu Futter wiesen der LH und das LS Gamma-Oszillationen (30-90 Hz) auf, welche neuronale Aktivität innerhalb und zwischen diesen beiden Gehirnregionen synchronisierten. Optogenetische Stimulation von Somatostatin-positiven GABAergen Projektionen zum LH mit Gamma-Frequenz förderte die Nahrungssuche und erhöhte die Wahrscheinlichkeit des Betretens der Nahrungszone. Inhibitorische Signale des LS bewirkten eine Unterteilung der LH Neurone: entsprechend ihrer Aktivität im Bezug zur Nahrungsstelle wurden sie während bestimmter Phasen der Gamma-Oszillation aktiviert. Dabei führte optogenetische Stimulation von LS-LH Neuronen mit Gamma-Frequenz keine Veränderung bei der Nahrungsaufnahme selbst herbei. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Einsichten über die Funktion der neuronalen Netzwerke des LH, welche durch Signalgebung mit unterschiedlichen Zeitskalen über die Koordination mit vor- und nachgeschalteten neuronalen Netzwerken Übergange zwischen verschiedenen angeborenen Verhaltensweisen regeln. / Lateral hypothalamus (LH) is crucial for regulation of innate behaviors. However, it remained unknown whether and how temporal coordination of hypothalamic neuronal populations regulates behavioral transitions. This work combined optogenetics with neuronal recordings in behaving mice. LHVgat cells were optogenetically identified. LHVgat neurons increased firing rates upon transitions from non-REM (NREM) sleep to wakefulness, and their optogenetic stimulation during NREM sleep induced a fast transition to wakefulness. LHVgat cells project to the reticular thalamic nucleus (RTN). Optogenetic activation of LHVgat terminals in the RTN exerted a strong frequency-dependent inhibition of RTN cells and replicated state-dependent changes in RTN neurons activity. Recordings of LH neurons during exploration revealed that 65% of LH neurons increased their activity upon the onset of locomotion. Top-down forebrain innervation of LH is provided, to a great extent, by inhibitory inputs from the lateral septum (LS). During spontaneous exploration in a free-feeding model, LS and LH displayed prominent gamma oscillations (30-90 Hz) which entrained neuronal activity within and across the two regions. Optogenetic gamma-frequency stimulation of somatostatin-positive GABAergic projections to LH facilitated food-seeking, and increased the probability of entering the food zone. LS inhibitory input enabled separate signaling by LH neurons according to their feeding-related activity, making them fire at distinct phases of the gamma oscillation. In contrast to increased food intake during optogenetic stimulation of LHVgat cells, food intake during gamma-rhythmic LS-LH stimulation was not changed. Overall this works provides new insight into the function of LH circuitry, that employs signalling at different time scales, which, in coordination with upstream and downstream circuits, regulates transitions between innate behaviors.

Ionenkanäle leiten Ionenströme über neuronale Membranen, wodurch Aktionspotentiale erzeugt und weitergeleitet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Erregbarkeit und des Aktivierungsverhaltens von Neuronen. KCNQs sind eine wichtige Familie von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen; ihre Dysfunktion kann zu verschiedenen neurologischen Krankheiten führen, einschließlich Erkrankung an Epilepsie und Taubheit. Es wurde gezeigt, dass KCNQ2 und KCNQ3 den M-Strom verantwortlich sind. Letzterer ist für die Regulierung des repetitiven Feuerns von Pyramidenzellen entscheidend. Im Gegensatz zu KCNQ2, ist die funktionelle Bedeutung von KCNQ3 noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit zeigen wir mittels extrazellulärer Elektrophysiologie in vivo, dass bei konstitutiven Kcnq3 Knockoutmäusen die hippokampalen Pyramidenzellen vermehrt burstartig feuern. Außerdem weisen diese Tiere eine verminderte Spike-Frequenz-Anpassung auf und die Wahrscheinlichkeit des Burst-Feuerns während zwei verschiedener Oszillationen – Theta gegen Nicht-Theta – kann nicht mehr unterscheiden werden. Des Weiteren zeigen Kcnq3-Knockout- Pyramidenzellen während der Theta-Oszillation weder eine dominante Phasenpräferenz, noch eine Koordination ihrer Burst-Feuerung. Die Thetawellen Phasenpräzision tritt weiterhin bei dem vorübergehend verstärkten Feuern auf. Das räumliche selektive Feuern von mutmaßlichen Ortszellen blieb auch bei den Knockout-Mäusen erhalten, aber es ist hauptsächlich vom Burst- Feuern abhängig. Diese Studie zeigt, dass der KCNQ3-Ionenkanal eine wichtige Rolle bei der Regulierung der neuronalen Erregbarkeit und der Informationsverarbeitung spielt, und gibt damit Einblicke in die Bedeutsamkeit der KCNQ3-Ionenkanäle bezüglich der neurologischen Störungen. / Ion channels conduct ion flows across neuronal membrane whereby action potential is generated and propagated. They play a central role in regulating the excitability and firing behavior of a neuron. Among them, the KCNQs present a prominent family of voltage-gated potassium channels. Dysfunction of KCNQ2–5 channels can lead to varied neurological diseases including early onset epilepsy and deafness. In cortex and hippocampus, KCNQ2 and KCNQ3 have been demonstrated to underlie the non-inactivating M-current critical for controlling the repetitive firing of pyramidal cells. However, the functional significance of KCNQ3, unlike that of KCNQ2, remains elusive. Here, by applying in vivo extracellular electrophysiology in Kcnq3 constitutive knockout mice and the wild-type littermates, we find that hippocampal pyramidal cells lacking KCNQ3 exhibit increased burst firing. Moreover, the spike frequency adaptation of their bursts is diminished, and the burst propensity during two different field oscillations – theta versus non-theta – becomes indistinguishable. During theta oscillations, Kcnq3 knockout pyramidal cells no longer display unimodal phase preference and do not coordinate their burst firing. But phase advancement along successive theta cycles continues to occur at times of transiently intensified firing. The selective firing of place cells is largely preserved in the knockout while mainly relying on bursts. These results suggest that KCNQ3 channels indeed play a significant and specific role in regulating the neurons’ excitability and information processing, thus providing crucial mechanistic insights into the relevance of the KCNQ3 channels in neurological disorders.