Komplexe Muster neuronaler Aktivität entstehen während der Sharp-wave Ripples
(SWRs) im Hippocampus und während der Up States im Neokortex (Zuständen mit
hoher Aktivität). Sequenzen von Verhalten, die in der Vergangenheit erlebt
wurden, werden während des komplexen Musters abgespielt. Die zugrunde liegenden
Mechanismen sind nicht gründlich erforscht: Wie können kleine synaptische
Veränderungen die großflächige Netzwerkaktivität während des Gedächtnisabrufes
und der Gedächtniskonsolidierung kontrollieren?
Im ersten Teil dieser Abhandlung wird die Hypothese aufgestellt, dass eine schwache
synaptische Konnektivität zwischen Hebbschen Assemblies von der bereits
vorhandenen rekurrenten Konnektivität gefördert wird. Diese Hypothese wird auf
folgende Weise geprüft: die vorwärts gekoppelten Assembly-Sequenzen werden
in neuronale Netzwerke eingebettet, mit einem Gleichgewicht zwischen
exzitatorischer und inhibitorischer Aktivität. Simulationen und analytische
Berechnungen haben gezeigt, dass rekurrente Verbindungen innerhalb der
Assemblies zu einer schnelleren Signalverstärkung führen, was eine Reduktion
der notwendigen Verbindungen zwischen den Assemblies zur Folge hat. Diese
Aktivität kann entweder von kleinen sensorisch ähnlichen Inputs hervorgerufen
werden oder entsteht spontan infolge von Aktivitätsschwankungen. Globale --
möglicherweise neuromodulatorische -- Änderungen der neuronalen Erregbarkeit
können daher die Netzwerkzustände steuern, die Gedächnisabruf und die
Konsolidierung begünstigen.
Der zweite Teil der Arbeit geht der Herkunft der SWRs nach, die in vitro
beobachtet wurden. Neueste Studien haben gezeigt, dass SWR-ähnliche
Erscheinungen durch optogenetische Stimulation der Subpopulationen von
inhibitorischen Neuronen hervorgerufen werden können (Schlingloff et al.,
2014). Um diese Ergebnisse zu erklären wird ein de-inhibierendes
Schaltkreis-Modell diskutiert, das die beobachteten Populationsausbrüche
generieren kann. Die Auswirkungen der pharmakologischen GABAergischen
Modulatoren auf die SWR-Häufigkeit werden in vitro untersucht. Die gewonnenen
Ergebnisse wurden in Rahmen des Schaltkreis-Modells analysiert. Insbesondere
wird den folgenden Fragen nachgegangen: Wie unterdrückt Gabazine, ein
GABA_A-Rezeptor-Antagonist, die Entwicklung von SWRs? Wird das Zeitintervall
zwischen SWRs durch die Dynamik der GABA_B Rezeptoren moduliert? / Complex patterns of neural activity appear during up-states in the neocortex
and sharp-wave ripples (SWRs) in the hippocampus, including sequences that
resemble those during prior behavioral experience. The mechanisms underlying
this replay are not well understood. How can small synaptic footprints engraved
by experience control large-scale network activity during memory retrieval and
consolidation?
In the first part of this thesis, I hypothesise that sparse and weak
synaptic connectivity between Hebbian assemblies are boosted by pre-existing
recurrent connectivity within them. To investigate this idea, sequences of
assemblies connected in a feedforward manner are embedded in random neural
networks with a balance of excitation and inhibition. Simulations and
analytical calculations show that recurrent connections within assemblies allow
for a fast amplification of signals that indeed reduces the required number of
inter-assembly connections. Replay can be evoked by small sensory-like cues or
emerge spontaneously by activity fluctuations. Global--potentially
neuromodulatory--alterations of neuronal excitability can switch between
network states that favor retrieval and consolidation.
The second part of this thesis investigates the origin of the SWRs observed in
in-vitro models. Recent studies have demonstrated that SWR-like events can be
evoked after optogenetic stimulation of subpopulations of inhibitory neurons
(Schlingloff et al., 2014; Kohus et al., 2016). To explain these results, a
3-population model is discussed as a hypothetical disinhibitory circuit that
could generate the observed population bursts. The effects of pharmacological
GABAergic modulators on the SWR incidence in vitro are analysed. The results
are discussed in the light of the proposed disinhibitory circuit. In
particular, how does gabazine, a GABA_A receptor antagonist, suppress the
generation of SWRs? Another explored question is whether the slow dynamics of
GABA_B receptors is modulating the time scale of the inter-event intervals.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/19184 |
| Date | 24 October 2017 |
| Creators | Chenkov, Nikolay |
| Contributors | Kempter, Richard, Sprekeler, Henning, Both, Martin |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung 3.0 Deutschland, http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/ |
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