ERC-Witter-The entorhinal connectome: a way to read the cortex

En viktig utfordring i moderne nevrovitenskap er å finne årsaksforholdet mellom den komplekse arkitekturen i kortikale nettverk og funksjonelle resultater av kortikal prosessering. Evidensbaserte regler for hvorfor og i hvilken grad arkitektur er avgjørende for funksjon vil med tiden i) være nødvending for å implementere biologisk inspirert datamaskinarkitektur og ii) signifikant forbedre potensialet for å forutsi de skadelige funksjonelle effektene av endringer i arkitektur som oppstår i en rekke hjernesykdommer, inkludert demens, og bærer en lovnad om et gjennombrudd i forskningen på målrettet behandling av slike ødeleggende sykdommer. Vi har brukt entorhinal cortex som et optimalt modellnettverk for å adressere denne utfordringen siden denne delen av hjernen er en tvillingstruktur; der tvillingene, kalt lateral og medial, er like med hensyn til arkitektur men har slående ulike funksjoner. Den sentrale hypotesen i prosjektet var at variasjoner i arkitekturen, spesielt i i) intern sammensetning og ii) innkommende forbindelser, fører til påfallende ulikheter i funksjon representert ved tilstedeværelse eller fravær av spatialt modulerte celler. Våre nåværende resultater viser at den opprinnelige hypotesen om at nevroner i det øverste lag II i de to entorhinale delene danner ulikt organiserte nevrale nettverk ikke gjelder for de to hovedtypene av eksitatoriske celler i dette laget. En tilsvarende konklusjon er gyldig for organiseringen av eksitatoriske nevroner i lag V. Når det gjelder konnektiviteten til inhibitoriske internevroner konkluderer vi med at det er subtile forskjeller mellom de to entorhinale delene, noe som reflekterer de etablerte forskjellene i kortikal konnektivitet. Til slutt har vi data som indikerer at det finnes tette interne forbindelser med en veldig kompleks og ulik organisering i de to entorhinale delene.

One important challenge of modern neuroscience is to causally relate the complex architecture of cortical networks to functional outcomes of cortical processing. Experimentally based rules on why and to what extent architecture causes function, with time, will i) be necessary to efficiently implement biologically inspired computer architectures and ii) significantly enhance the potential to predict the detrimental functional effects of architectural alterations that occur in a number of brain diseases, in cluding dementia, promising a breakthrough in research into targeted treatment of these devastating diseases. My current research suggests that the entorhinal cortex provides an optimal cortical network to address this challenge since it is essentially a ?twin structure? where the siblings, called lateral and medial, have comparable architectures with variations in layer II, but show strikingly different functions. The central hypothesis of the research is that variations in the architecture, particularl y in i) intrinsic wiring and ii) input connectivity, result in striking differences in function, represented by the presence or absence of spatially modulated cells. The results will first provide qualitative and quantitative descriptions of interlaminar and intralaminar connections of principal neurons and interneurons of the lateral and medial entorhinal cortex, second identify commonalities and differences in postsynaptic targets of characteristic inputs to lateral and medial entorhinal cortex, and thi rd determine the effects of changes in wiring of layer II on functional properties of the two entorhinal networks. The unique opportunity offered by the?twin approach? will allow establishing causal relationships between the architectures of multi-layered cortices and their functions and eventually lead to a theoretical framework (a set of rules) necessary to make reliable functional inferences on the basis of normal or diseased-altered network architectures.