Neural processing and plasticity in cortical circuits of behaving animals

Hvordan kan hjernen være stabil nok til at minner kan lagres i årtier, men samtidig ha evne til endring i så stor grad at vi kan lære nye ting hele livet? Dette er et paradoks og et av de uløste spørsmål innen nevrovitenskap. En modell for å studere hjernens evne til endring, hjerneplastisitet, er synshjernebarkens plastisitet tidlig i livet som respons på kortvarige endringer i sanseinput. Dersom synsinformasjonen reduseres i noen få dager hos unge individer vil dette føre til langvarige endringer i synshjernebarkens hjerneceller. Hos menneske drar man nytte av slik plastisit i behandlingen av strabismus eller sterkt sjeløyethet hos barn ved at man setter lapp over det dominante øyet og tvinger hjernen til å bruke det svake øyet. Dersom slik behandling ikke utføres kan dette medføre funskjonell blindhet, amblyopia, som voksen til tross for et friskt øye. Det er fortsatt ukjent hvordan ulike nervecelletyper bidrar til disse plastitetsprosessene eller hva som er de molekylære mekanismene til. I dette prosjektet benytter vi avansert mikroskopi, elektrofysiologi og genetiske teknikker til å undersøke dette. Resultatene fra dette prosjektet vil gi innsikt i mekanismer for plastisitet i synssystemet, men også være viktig i vår forståelse av grunnleggende kunnskap om hva som skjer i hjernen når man lærer. Tradisjonelt har undersøkelser av hjernecelleaktivitet i synshjernebarken vært utført på anestesterte dyr. Anestesi har imidlertid stor effekt på hjernen og måten sansestimuli behandles på i den våkne og anesteserte hjerne vil være svært forskjellig. Ettersom vi er opptatt av å forstå kognitive prosesser som læring ønsket vi derfor å sammenlikne hva som egentlig skjer med prosesseringen av synsinformasjon under anestesi. Vi benyttet elektroder til disse studiene og gjorde for første gang systematiske målinger fra de samme cellene under våken og anestesi. Arbeidet ble publisert i tidskriftet eNeuro i 2017. I løpet av arbeidet har vi oppdaget en celletype med unike egenskaper for prosessering av synsinformasjon. Oppdagelsene kunne bare fremkommet gjennom våre registreringer i våkne dyr. Arbeidet har vært presentert på vitenskapelige møter og skrives sammen for publisering. Videre har vi undersøkt hvordan hjerneplastisitet påvirker aktiviteten og prosesseringen til den enkelte hjernecelle i synshjernebarken. I dette delprosjektet har vi for første gang fulgt de samme hjernecellene over hele forløpet av hjerneplastisitet. Arbeidet ble publisert i Journal of Neuroscience i 2017. Videre undersøker vi molekylære mekanismer for hjerneplastisitet i synshjernebarken. I et arbeid publisert i Journal of Neuroscience har vi utviklet en mus hvor vi selektivt kan slå ut et gen for et protein som er involvert i ektracellulær matrix molekyler rundt nerveceller. Vi viste at ved å fjerne dette genet i synshjernebarken hos voksne mus kunne vi åpne for like stor grad av hjerneplasisitet som da dyret var unge. I et studium akseptert for publisering i Cerebral Cortex har vi undersøket en musemodell som har fått forandret noen transportører av nevrotransmittere i koblingspunktet mellom hjernecellene. Vi viser at denne transportøren er viktig for hjerneplastisitet i synshjernebarken. Alt i alt har studiene i dette prosjektet gitt verdifull innsikt i mekanismer for prosessering av sanseinformasjon og for hvordan slik prosessering blir påvirket under hjerneplastisitet. Prosjektet har åpnet for nye spørsmål som vi nå forfølger i andre prosjekter og som vi være grunnlag for planlagte prosjektsøknader.

Prosjektet har avdekket nye mekanismer for behandling av synsiformasjon i hjernen og bidratt til å utvikle nye metoder i vår forskningsgruppe. Prosjektet har bidratt til nye tverrfaglige samarbeid og har dannet grunnlaget for andre prosjektsøknader. Prosjektet dannet grunnlaget for 3 PhD prosjekter (Lensjø (2017), Aasebø (2018) og Mogbarhan (2018)).

What are the mechanisms underlying the remarkable ability of the brain to learn from experience? It is well known that closing one eye for only a few days in early postnatal life leads to rapid and long-lasting changes in visual cortex, but how does such plasticity relate to the lifelong ability of the brain to learn? Most of our knowledge of the physiology of visual cortex comes from in vitro preparations and acute recordings in anesthetized animals. However, in order to understand neural processes of the awake brain, studies of animals that interact with its environment are needed. Furthermore, in previous studies of spine dynamics a causal relation between spine turnover (structure) and function remains elusive because the functional and structural changes of the same neurons have not yet been assessed. We propose to identify network dynamics and plasticity changes in visual cortex of behaving mice and rats that experience one of two forms of activity-dependent plasticity: perceptual learning or sensory deprivation. A multilevel approach will be taken to identify the cell-specific morphological and functional changes to single neurons and network processing that operate during these two forms of activity-dependent plasticity. To achieve this, we will combine genetic tools with transcranial two photon microscopy and large-scale electrophysiological recordings with single cell resolution. This research will pioneer the combined functional and structural analysis of cortical circuits in animals interacting with its environment to provide a mechanistic understanding of neural plasticity and computations in the awake brain. This line of experiments in behaving animals opens an avenue of possibilities on which I will base my future research to untangle how experience modifies cortical circuits to provide a substrate for long-lasting memories.