Die Fähigkeit des Gehirns, Informationen aus der Außenwelt zu verarbeiten und zu speichern, beruht auf der Interaktion zwischen Neuronen, die ein hochkomplexes Netzwerk bilden. Die Rechenleistung neuronaler Netze hängt entscheidend von der Konnektivität ab, die sich im Laufe der Zeit entwickelt und sowohl von genetischen Faktoren als auch von der sensorischen Erfahrung bestimmt wird. Es ist bekannt, dass Fehlentwicklungen in der Konnektivität den kognitiven Symptomen mehrerer neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen (Autismus-Spektrum-Störungen, Schizophrenie, Alzheimer-Krankheit) zugrunde liegen. Die Prinzipien der Kodierung und Dekodierung von Informationen in gesunden und erkrankten Gehirnen bleiben bisher unklar.
In diesem Projekt untersuchen wir den Einfluss verschiedener Signalkomplexe (mit Schwerpunkt auf Kalziumkanälen) auf die Schaltkreisbildung in sich entwickelnden und in reifen neuronalen Netzwerken. Mit einer Kombination aus bildgebenden und elektrophysiologischen Techniken extrahieren wir strukturelle (synaptische), funktionelle und effektive (kausale) Konnektivität in neuronalen Kulturen und Schnitten. Wir verwenden informationstheoretischen Analysewerkzeuge, um folgende Frage zu klären: Wie beeinflussen Änderungen in der Neurotransmitterfreisetzung und der neuronalen Erregbarkeit die Übertragung und Verarbeitung von Informationen auf Einzelzell- und Netzwerkebene? Diese Forschung zielt darauf ab, die Merkmale einer „fehlgeleiteten“ Konnektivität (wie u.a. für Autismus-Spektrum-Störungen beschrieben) zu entschlüsseln und Faktoren zu identifizieren, die eine extrem hohe Komorbidität von Autismus und Epilepsie verursachen.
Publikationen:
Bikbaev A, Ciuraszkiewicz-Wojciech A, Heck J, Klatt O, Freund R, Mitlöhner J, Enrile Lacalle S, Sun M, Repetto D, Frischknecht R, Ablinger C, Rohlmann A, Missler M, Obermair GJ, Di Biase V, Heine M (2020)
Auxiliary α2δ1 and α2δ3 Subunits of Calcium Channels Drive Excitatory and Inhibitory Neuronal Network Development. J Neurosci 4824-4841
van Loo K, Rummel C, Pitsch J, Müller JA, Bikbaev A, Chavez EM, Blaess S, Dietrich D, Heine M, Becker A, and Schoch S (2019)
Calcium channel subunit α2δ4 is regulated by early growth response 1 and facilitates epileptogenesis.
J Neurosci
Bikbaev A, Frischknecht R, Heine M (2015)
Brain extracellular matrix retains connectivity in neuronal networks. Sci Rep. 5:14527. https://doi.org/10.1038/srep14527