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Humboldt-Universität zu Berlin

„Large-scale circuit reconstruction in medial entorhinal cortex“

Helene Schmidt promovierte bei Prof. Dr. Michael Brecht am Institut für Biologie an der Humboldt-Universität. Für ihre Dissertation wurde sie mit dem Humboldt-Preis 2018 ausgezeichnet.

Alternativtext
Helene Schmidt, Foto: privat

Zusammenfassung

Die Orientierung eines Individuums im Raum ist eine wichtige Leistung des Gehirns. Im Säugetier wurde der mediale entorhinale Teil der Großhirnrinde als entscheidende Struktur für die räumliche Orientierung identifiziert. Hier wurden Nervenzellen gefunden, die die Umgebung des Individuums in einer gitterartigen Anordnung repräsentieren. Diese sogenannten Gitterzellen befinden sich hauptsächlich in der zweiten Schicht des medialen entorhinalen Kortex. Die genauen neuronalen Schaltkreise, welche diese einzigartige geordnete Nervenzellaktivität ermöglichen, sind noch wenig verstanden.

Die Dissertationsarbeit, erstellt unter Betreuung von Prof. Dr. Michael Brecht, umfasst eine Reihe von anatomischen Studien, die eine Klärung der zellulären Architektur und der neuronalen Schaltkreise in der zweiten Schicht des medialen entorhinalen Kortex der Ratte zum Ziel hatten. Zum ersten hat diese Arbeit zur Entdeckung hexagonal angeordneter zellulärer Anhäufungen in dieser Hirnregion beigetragen. Weiterhin wurden anatomische Daten zu den zwei Klassen der Haupt-Nervenzelltypen erhoben.

Im Hauptteil dieser Arbeit wurde erstmalig eine dichte, sogenannte konnektomische Analyse der neuronalen Schaltkreise des medialen entorhinalen Kortex beschrieben. Mittels neuartiger Methoden der dreidimensionalen Elektronenmikroskopie ergab die detaillierte Untersuchung der Architektur einzelner exzitatorischer Axone das überraschende Ergebnis der präzisen Sortierung von Synapsen entlang axonaler Pfade im Säugetierkortex. Beim weiteren Studium der neuronalen Verschaltungen, in denen diese Neurone eingebettet sind, zeigte sich eine starke zeitliche Bevorzugung der hemmenden Nervenzellen gegenüber den parallel geschalteten erregenden Neuronen. Damit enthalten die hier erhobenen Daten die erste Beschreibung überraschend präziser axonaler synaptischer Ordnung im zerebralen Kortex der Säugetiere. Die möglichen funktionellen Konsequenzen wurden mittels numerischer Simulationen exploriert und lassen einen Effekt auf die Weiterleitung synchroner elektrischer Populationsaktivität im medialen entorhinalen Kortex vermuten.

Die in der Dissertation erlangten Erkenntnisse legen den Grundstein für weitere Studien, um die Bedeutung präziser neuronaler Architektur für die räumliche Orientierung von Säugetieren zu bestimmen. Einiges deutet bereits darauf hin, dass es sich hier um ein generelles Verschaltungsprinzip in der Hirnrinde des Säugetiers handeln könnte, mit dem präzise zeitliche Ordnung in komplexen neuronalen Schaltkreisen erlangt und erhalten wird.