Funktionale Module im Primären Motor Kortex

01.06.2017 bis 31.05.2021

Die erfolgreichste Idee zur Anordnung von Bewegungssignalen im Motorkortex ist, dass die Repräsentation in einer somatotopischen Karte organisiert ist, auf der Signale von benachbarten Muskeln an benachbarten Stellen repräsentiert sind (‚Somatotopie Hypothese‘). Hochaufgelöste, funktionale Analysen haben jedoch in unterschiedlichen Spezies immer wieder gezeigt, dass auf einer mikroskopischen Skala die Somatotopie gebrochen ist. Weiterhin wurde gezeigt, dass die langanhaltende Aktivierung eines jeden Punktes auf dem Motorkortex, zu komplexen, scheinbar verhaltensrelevanten Bewegungen führt. Diese Befunde führten zur Formulierung der alternativen Hypothese, dass die Motorkortexsignale in funktionalen Modulen angeordnet sind und daher nicht einfache Elementarbewegungen, sondern sinnvolle Verhalten und Verhaltenskontexte repräsentieren (‚Funktionale-Module Hypothese‘).
Unsere Vorarbeiten im primären Vibrissenmotorkortex (vM1) identifizierten zwei scharf voneinander getrennte Unterareale, die aussichtsreiche Kandidaten für die hypothetische funktionell-moduläre Repräsentation sind. Zum Ersten ist das die sog. Area RW, von der rhythmische Vibrissenbewegungen ausgelöst werden können. Benachbart dazu liegt Area TZ, die einfache Vibrissen- als auch Gesichts- und Ganzkörperbewegungen auslöst. Nur TZ, aber nicht RW, erhält Eingänge aus dem Somatosensorischen Kortex. Im vorliegenden Projekt wollen wir die Funktionale-Module Hypothese weiter erhärten, indem wir die kausal-funktionale Rolle dieser beiden Kandidatenareale identifizieren und die verhaltensrelevanten Kontexte der dort kodierten Bewegungen aufklären.
Zunächst planen wir die Konnektivität der Kandidatenareale systematisch zu untersuchen. Trifft die Modulhypothese zu, erwarten wir qualitative Unterschiede in den Ein- und Ausgängen der Areale. Im Falle einer strikten Somatotopie erwarten wir eine systematische Verschiebung der verbunden Strukturen für benachbarte Lokalisationen auf dem Kortex. Weiterhin sollen zwei Verhaltensexperimente in kopffixierten Mäusen durchgeführt werden. Akute und chronische Deaktivierungsexperimente (Läsionen und optogenetische Blockierung) dienen dazu die funktionalen Komponenten der in einem Areal kodierten Signale zu identifizieren. Einfache Vibrissenbewegungen (ohne Berührung von Objekten) sollen trainiert werden, um zu testen inwieweit die Areale Eingangsparameter zur Ansteuerung des bekannten Hirnstammoszillators für rhythmische Vibrissenbewegungen setzen. Im zweiten Experiment soll eine aktive Texturdiskrimination getestet werden. Es wird untersucht inwieweit adaptive Vibrissenbewegungen zur Maximierung der Diskriminationsleistung und die Leistung selbst von den blockierten Arealen abhängt. Wir erwarten differentielle Effekte der Blockierungen der beiden Areale auf diese beiden Verhaltensleistungen. Ein solcher Befund würde die Hypothese der Anordnung in Modulen stärken und die repräsentierten funktionalen Komponenten weiter aufklären.