Kognitive Neurophysiologie
Dr. Motoharu Yoshida
Gruppenleiter
Leipziger Str. 44
39120 Magdeburg

motoharu.yoshida@dzne.de
 +49 391 672-4538

Forschungsschwerpunkte

Der Hippocampus und der entorhinale Cortex, die beide Teil des medialen Temporallappens (MTL) sind, unterstützen Gedächtnisfunktionen sowie die räumliche Navigation. Unsere Forschung konzentriert sich auf die neuronalen Berechnungen, die den kognitiven Funktionen des MTL zugrunde liegen. Dabei kombinieren wir elektrophysiologische Aufzeichnungen, in vitro und in vivo, mit Computersimulationen. Da der MTL eine entscheidende Rolle bei Alzheimer und bei der Temporallappenepilepsie spielt, ist das Erforschen der neuronalen Berechnungen im MTL nicht nur für das Verständnis der kognitiven Funktionen und ihrer technischen Anwendungen von zentraler Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung von Behandlungen für Demenz und Epilepsie.

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Das zeitliche Assoziationsgedächtnis

Die Fähigkeit, zeitlich auseinanderliegende Ereignisse miteinander in Verbindung zu bringen, erfordert einen intakten Hippocampus. Aktuell liegt unser Hauptfokus auf der Rolle der rezeptor-aktivierten Kationenkanäle (TRPC-Kanäle) im Hippocampus, die diese Fähigkeit – das zeitliche Assoziationsgedächtnis – unterstützen. TRPC-Kanäle kommen reichlich in den hippocampalen Pyramidenzellen vor (Abb. 1A). Wir haben vor kurzem gezeigt, dass TRPC-Kanäle die dynamischen Eigenschaften der hippocampalen Pyramidenzellen modulieren, was als persistierendes Feuern (Abb. 1B) bekannt ist. Computersimulationen haben gezeigt, dass die TRPC-Kanäle eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der neuralen Netzwerkaktivität spielen, indem sie es ermöglichen, dass das persistierende Feuern gleichzeitig neben den Thetawellen besteht. Wir planen, unser Verständnis für die Beteiligung der TRPC-Kanäle auf Verhaltensebene zu erweitern, indem wir die TRPC-Kanäle in vivo manipulieren.

Abb. 1. (A) Immunhistochemische Färbung eines TRPC5-Kanals in hippocampalen CA1-Zellen. (B) Persistierendes Feuern einer hippocampalen CA1-Pyramidenzelle.

Räumliche Navigation


Von den Gitterzellen im medialen entorhinalen Cortex (MEC) glaubt man, dass sie die räumliche Navigation unterstützen. Es wird angenommen, dass das Feuern der Gitterzellen durch Pfadintegration entsteht. Dies ist die Fähigkeit, die räumliche Darstellung durch idiothetische Informationen zu aktualisieren. Die Schicht II des MEC besteht hauptsächlich aus zwei verschiedenen Zellarten: Pyramidenzellen und Sternzellen. Allerdings sind die zellulären Mechanismen zur Unterstützung der Pfadintegration und Gitterzellenbildung immer noch unbekannt. Die Schwingungseigenschaften der MEC-Schicht-II-Neuronen und das persistierende Feuern könnten die Pfadintegration unterstützen (Abb. 2). Wir haben vor kurzem gezeigt, dass die Eigenschaften der MEC-Schicht-II-Neuronen, wie die zum Beispiel die Spike-Adaptionsrate, entlang der dorso-ventralen Achse verschieden sind. Dies weist darauf hin, dass diese Zelleigenschaften möglicherweise Unterschieden im Abstand der Gitterzellen unterliegen.

Abb. 2. (A1-3) Unterschwellige Membranpotentialschwingungen, die von einem MEC-Schicht-II-Neuron bei verschiedenen Grundlinien-Membranpotentialen aufgezeichnet wurden. (B) Energiespektren unterschwelliger Schwingungen, die bei verschiedenen Grundlinien-Membranpotentialen gemessen wurden.

Gedächtniskodierung und -konsolidierung

Man nimmt an, dass der MTL die Gedächtnisbildung durch zwei verschiedene Prozesse unterstützt: Enkodierung und Konsolidierung. Hippocampale Neuronen verändern ihren Feuermodus von „Ortszellen“- oder „Zeitzellen“-Aktivität während der Enkodierung zur zeitlich komprimierten „Wiedergabe“-Aktivität während der Konsolidierung. Die vorherrschende Theorie besagt, dass der Spiegel des Neuromodulators Acetylcholin diesen Wechsel des Betriebsmodus auslöst. Unsere theoretische und rechnerische Arbeit legt nahe, dass die cholinerge Regulierung intrinsischer Zelleigenschaften, einschließlich der TRPC- und Kaliumkanäle, den Wechsel fördern kann (Abb. 3).

Abb. 3. Schematische Darstellung der neuronalen Netzwerkaktivität während der Konsolidierungs- (Wiedergabe-Aktivität) und Enkodierungsphasen (Feuern der Orts- und Zeitzellen).

Schlüsselpublikationen

Jochems A, Yoshida M. A robust in vivo-like persistent firing supported by the CAN current in a recurrent neural network. PLoS ONE. 2015 Jan 01; 10:e0123799. doi: 10.1371/journal.pone.0123799
Saravanan V, Arabali D, Jochems A, Cui AX, Gootjes-Dreesbach L, …, Yoshida M. Transition between encoding and consolidation/replay dynamics via cholinergic modulation of CAN current: a modelling study. Hippocampus. 2015 Jan 01; 25 doi: 10.1002/hipo.22429
Knauer B, Jochems A, Valero-Aracama MJ, Yoshida M. Long-lasting intrinsic persistent firing in rat CA1 pyramidal cells: a possible mechanism for active maintenance of memory. Hippocampus. 2013 Jan 01; 23:820-31. doi: 10.1002/hipo.22136
Yoshida M, Giocomo LM, Boardman I, Hasselmo ME. Frequency of subthreshold oscillations at different membrane potential voltages in neurons at different anatomical positions on the dorso-ventral axis in the rat medial entorhinal cortex. J Neurosci. 2011 Jan 01; 31:12683-94. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1654-11.2011
Yoshida M, Hasselmo M. Persistent firing supported by an intrinsic cellular mechanism in a component of the head direction system. J Neurosci. 2009 Jan 01; 29:4945-4952. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5154-08.2009

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