Aufbauend auf dem primären Fokus des Instituts für Entwicklungsneurowissenschaften, der Untersuchung der Entstehung und Bedeutung oszillatorischer Hirnaktivität im perinatalen Alter, hat sich ein neuer Projektzweig mit Schwerpunkt auf der adoleszenten Gehirnentwicklung herausgebildet.

Nicht nur in den frühen Stadien der Entwicklung zeigt das Gehirn eine erhöhte Plastizität auf, auch die adoleszente Phase ist durch diese gekennzeichnet. Während der Adoleszenz kommt es zum Einsetzen ausgereifter Verhaltensfunktionen, speziell in kognitiven Bereichen. Dies ist begleitet durch eine erneute Rekonstruierung von strukturellen, als auch funktionalen Mustern insbesondere im präfrontalen Kortex.

Die Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen dieser Rekonstruierung, sowie deren Beitrag zur Entstehung funktionaler, als auch dysfunktionaler kognitiver Fähigkeiten ist das Ziel dieses Forschungsprojektes. Hierzu messen wir im Tiermodell die Veränderungen der Hirnaktivität, sowohl auf oszillatorischer, als auch neuronaler Ebene, simultan im präfrontalen Kortex und Hippocampus vom Kindes- bis hin zum Erwachsenenalter und bringen diese in Verbindung mit morphologischen Veränderungen unterschiedlicher Zellpopulationen im Gehirn. Hinzukommend wird in unterschiedlichen Altersabschnitten das Entwicklungsstadium kognitiver Fähigkeiten mithilfe bestimmter Verhaltenstest überprüft und mit elektrophysiologischen Messungen, als auch optogenetischen Manipulationen der neuronalen Aktivität verbunden, um Aufschluss über einen kausalen Zusammenhang zu erhalten.

Spezifische neuronale Populationen, welche einen kritischen Beitrag zu den identifizierten Mechanismen leisten, werden in Genexpressionsanalysen mittels RNA-Sequenzierung im naiven, als auch im Tiermodel für psychiatrische Erkrankungen, untersucht. Dieser umfassend strategische Ansatz trägt zu einem besseren Verständnis der Sensitivität der jugendlichen Phase in Anbetracht des symptomatischen Einsetzens psychiatrischer Erkrankungen bei.

Die neuronale Aktivität im sich entwickelnden Gehirn weist mehrere einzigartige Merkmale auf. Es ist gekennzeichnet durch lange Perioden elektrischer Stille, die sich mit sporadischen Aktivitätsausbrüchen abwechseln, durch hochkorrelierte und extrem niedrige Neuronenfeuerungen und wird nur schwach durch den Verhaltenszustand moduliert.

Ebenso einzigartig ist die Dynamik, mit der Neuronen sowohl auf mikroskopischer als auch auf makroskopischer Ebene interagieren und kommunizieren. Um zu verstehen, wie sich die Logik neuronaler Interaktionen während der Ontogenese entwickelt, untersuchen wir die funktionelle Entwicklung des präfrontalen und primären sensorischen Kortex, des Hippocampus und der subkortikalen Kerne.

Mit verschiedenen analytischen und experimentellen Ansätzen untersuchen wir die Mikroschaltung und die Fernkommunikation zwischen diesen Hirnarealen und deren Relevanz für die Entstehung kognitiver Fähigkeiten.

Das Auftreten von kognitiven Defiziten ist charakteristisch für verschiedene neuropsychiatrische Krankheitsbilder. Diesen Defiziten liegen Veränderungen der funktionalen Konnektivität und Kommunikation in präfrontal-hippokampalen Netzwerken zugrunde. Klinische Beschreibungen dieser Krankheiten haben Hinweise darauf gegeben, dass diese Fehlfunktionen ihren Ursprung bereits in der frühen Entwicklung, lange bevor die ersten, krankheitsrelevanten Symptome identifizierbar werden, haben könnten. Anhand von Mausmodellen, welche die multifaktorielle Ätiologie psychiatrischer Krankheiten widerspiegeln (z.B. das genetic and environmental (GE) Modell), ist es uns gelungen zu zeigen, dass die Initiierung funktionaler Kommunikation in präfrontal-hippokampalen Netzwerken bereits im Laufe der frühen Entwicklung gestört ist. Unser Team befasst sich dementsprechend damit die zellulären Mechanismen, welche der gestörten Reifung präfrontal-hippokampaler Netzwerke in neuropsychiatrischen Krankheiten zugrunde liegen, zu charakterisieren.

Für die funktionelle Entwicklung sensorischer Hirnareale ist eine frühe sensorische Verarbeitung zwingend erforderlich. Es ist jedoch nicht bekannt, ob frühes sensorisches Erleben die Entwicklung kognitiver Fähigkeiten beeinflusst. Um diese Frage zu beantworten, nutzen wir das olfaktorische System als einen der am frühesten entwickelten Sinne.

Das olfaktorische System ist bei der Geburt funktionsfähig und neugeborene Nagetiere verwenden olfaktorische Informationen zum Lernen und für hinweisgesteuerte Verhaltensweisen, die für ihr Überleben entscheidend sind. Darüber hinaus erreichen olfaktorische Informationen im Gegensatz zu den Eingaben von anderen sensorischen Modalitäten direkt kortikale Bereiche ohne Thalamus-Relay.

Daher ist das olfaktorische System eng an die Hippocampusformation und den frontalen Kortex gekoppelt, Schlüsselstrukturen für kognitive Fähigkeiten wie Gedächtnis und Entscheidungsfindung. Wir untersuchen die Reifung kognitiver Bereiche in Bezug auf das olfaktorische System und die Folgen von Entwicklungsstörungen der olfaktorischen Aktivität für kognitive Fähigkeiten.

Mütterlich-fetale Interaktionen

Schwangerschaft kann als einzigartige immunologische Anpassung betrachtet werden, die gegenüber Umwelteinflüssen sehr anfällig ist, aber gleichzeitig die Untersuchung komplexer Interaktionen zwischen Mutter und Kind ermöglicht. Eine mütterliche Erkrankung während der Schwangerschaft kann die Entwicklung des ungeborenen Kindes beeinträchtigen und damit die Nachkommen für chronische Erkrankungen anfällig machen.

Es wird zunehmend anerkannt, dass eine solche frühe Programmierung eine entscheidende Rolle in der Ätiologie verschiedener psychiatrischer und neurologischer Störungen spielt, einschließlich geistiger Behinderung, Autismus-Spektrum-Störung (ASD) und Schizophrenie. Ein gemeinsames Merkmal dieser Erkrankungen ist, dass die zugrundeliegenden pathologischen Prozesse mit der Entwicklung des Fetus beginnen.

In enger Zusammenarbeit mit Petra Arck (Abteilung für Experimentelle Feto-Maternale Medizin, UKE) kombiniert dieses Projekt state-of-the-art neurowissenschaftliche und immunologische Methoden, um aufzuklären, wie die mütterliche Immunaktivierung (z.B. durch Infektionen, Adipositas, Stress) die Gesundheit bestimmt des sich entwickelnden Gehirns durch vertikalen Transfer von Zytokinen, Antikörpern und mütterlichen Immunzellen.