Dendritic computation during hippocampal network oscillations

Hjernen utgjør et enormt nettverk av nerveceller som er bundet sammen av aksoner. Aksoner er lange, tynne nervefibre som overfører informasjon fra cellekroppen til synapsene, hvor nervecellene kommuniserer med hverandre. Aksonet er altså nødvendig for å lede nervecellens signaler videre. Kunnskap om hvordan informasjon blir bearbeidet i aksonet, er derfor viktig for å forstå hvordan hjernen fungerer. Fordi aksonene er svært tynne - ofte mindre enn en tusendels millimeter tykke - er det teknisk uhyre vanskelig å analysere funksjonene deres i detalj. Mekanismene som kontrollerer signalprosesseringen i aksonene i hjernebarken, er derfor ennå ikke helt kjent. Det nevrale nettverket i hjernebarken består av både stimulerende (eksitatoriske) og hemmende (inhibitoriske) nerveceller. I dette prosjektet ønsker jeg å studere aksonene til hemmende nerveceller i hjernen. Som deres navn tilsier, demper disse cellene aktiviteten i andre nerveceller, og dermed regulerer de hjernens nettverk. Feil og svikt i slike hemmende nerveceller kan ofte føre til epilepsi. Disse cellene har også en sentral rolle i informasjonsbearbeidingen i hjernen. De koordinerer hvordan informasjon, også den som hovedsakelig bearbeides av stimulerende hjerneceller, strømmer i det nevrale nettverket, både i tid og rom. Disse funksjonene avhenger av rask signalisering i aksonene til hemmende nerveceller. Målet med dette prosjektet er å avdekke mekanismen bak disse raske elektriske signalene. For å nå dette målet, vil vi bruke en kombinasjon av avanserte elektrofysiolgiske teknikker, bildeteknikker og datamodellering. Den foreslåtte forskningsplanen vil kunne bidra vesentlig til forståelsen av hvordan hjernebarkens nettverk funksjonerer. Spesielt vil resultatene øke vår kunnskap om prinsippene som ligger til grunn for den raske informasjonsprosesseringen i nervesystemet. Resultatene våre vil også være viktige byggestener for å konstruere modeller av hjernens nettverk i datamaskiner.

This application aims to develop an ambitious and yet feasible collaborative project to analyze dendritic computation during rhythmic activities of the brain. A functional hallmark of the brain is its rhythmic activity. Brain rhythms are generated by the synchronized firing of many nerve cells in the network, and these oscillatory activities play a key role in neuronal coding and higher cognitive processes. To produce synchrony during rhythmic activities, nerve cells in the network translate synaptic inputs in their dendrites into action potential output in the axon with high temporal precision. But the mechanism underlying this temporally precise input-output operation is not well understood, because dendrites and axons of nerve cells in the mammalian brain are very thin and nearly inaccessible to functional analyses. Consequently, studying dendritic computation during neuronal network oscillations represents a long-standing technical challenge in neuroscience. To face this challenge, the Synaptic Signaling group at the University of Oslo and the Neurophysiology group in Heidelberg will take advantage of their complementary expertise to jointly address a question of their common interest: how is information processed in the dendrites of hippocampal neurons during neuronal network oscillations? To maintain a long-term collaboration, we will take the opportunity provided by the DAAD mobility grant to prepare a collaborative European Research Council (ERC) synergy grant. The collaboration is expected to produce a strong synergistic effect to accelerate our research of how neuronal oscillations organize the formation, storage and retrieval of memories at the subcellular level, which represents a key question at the frontier of neuroscience. Further details are described in the project description found in the attachments.