Theta and respiration: Interactions of two different rhythms in the entrainment of neuronal activity

Theta 和呼吸:两种不同节律在神经元活动夹带中的相互作用

基本信息

项目摘要

The mammalian brain expresses different types of network oscillations which entrain neurons into a common temporal regime. The resulting spatio-temporal activity patterns are believed to underlie neuronal representations of perceptions, actions, memories or other cognitive acts. There are multiple different types of oscillations which vary in frequency, underlying mechanisms, spatial extension and correlation with different functional states. In many cases, several rhythms co-exist in the same local network, sometimes forming nested fast and slow oscillations. It is far from clear how individual neurons are affected by such complex patterns.We want to study a recently discovered interaction between two different oscillations which cover strongly overlapping frequency bands in the mouse brain: theta oscillations (4-12 Hz) and respiration-related rhythms (RR, 2-12 Hz). During past years, we and others have shown that respiration-related network oscillations entrain neurons in multiple brain regions, far beyond specific respiratory or olfactory networks. In many of these areas, e.g. the parietal and frontal cortex or the hippocampus, we observe theta- and RR-oscillations at the same time. This finding points towards an interaction between autonomously generated rhythms (theta) and sensory feedback (RR). We want to analyze this interesting model system for interactions between different oscillatory regimes, asking three fundamental questions:1. How do co-existing theta and RR affect multi-neuronal activity patterns?2. What are the mechanisms of neuronal entrainment, and do these differ between both rhythms?3. (How) do non-synaptic (`far field´) mechanisms affect multi-neuronal patterns in cortical networks?We will apply multiple electrophysiological methods in vivo and in vitro, including tetrode recordings, multi-electrode arrays, high-resolution juxta-and intracellular techniques and advanced methods of analysis. Stimulation of neuronal activity includes optogenetic approaches in vivo and external AC-potentials in brain slices in vitro. Together, our experiments shall elucidate new mechanisms underlying the generation of complex neuronal activity patterns. At the same time, we want to shed light on the impact of sensory (respiratory/olfactory) feedback on widespread activity patterns in the murine brain.
哺乳动物的大脑表达不同类型的网络振荡,将神经元带入一个共同的时间区域。由此产生的时空活动模式被认为是感知、行动、记忆或其他认知行为的神经元表征的基础。有多种不同类型的振荡,它们在频率、潜在机制、空间扩展以及与不同功能状态的相关性上都有所不同。在许多情况下,几种节律在同一局部网络中共存,有时形成嵌套的快和慢振荡。目前还远不清楚单个神经元是如何受到这种复杂模式的影响的。我们想研究最近发现的两种不同振荡之间的相互作用,这两种振荡覆盖了小鼠大脑中强烈重叠的频段:Theta振荡(4-12赫兹)和与呼吸相关的节律(RR,2-12赫兹)。在过去的几年里,我们和其他人已经证明,与呼吸相关的网络振荡牵连着多个大脑区域的神经元,远远超出了特定的呼吸或嗅觉网络。在许多这样的区域,例如顶叶和额叶皮质或海马体,我们同时观察到theta-和RR-振荡。这一发现指向了自主产生的节律(Theta)和感觉反馈(RR)之间的相互作用。我们想要分析这个有趣的不同振荡机制之间相互作用的模型系统,提出三个基本问题:1.共存的theta和RR如何影响多神经元的活动模式?2.神经元夹带的机制是什么,两种节律之间有何不同?3.非突触(远场)机制如何影响皮层网络中的多神经元模式?我们将在体内和体外应用多种电生理学方法,包括四极管记录、多电极阵列、高分辨率并列和细胞内技术以及先进的分析方法。刺激神经元活动的方法包括体内的光遗传方法和体外脑片的外部AC电位。我们的实验将共同阐明复杂神经元活动模式产生的新机制。同时,我们希望阐明感觉(呼吸/嗅觉)反馈对小鼠大脑广泛活动模式的影响。

项目成果

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