"Top‐down Neuromodulation in the Brain: From Basic Research to Clinical Applications"

 

 


 

 

We receive sensory information via our sensory organs. However, what we perceive (and what we don’t!) is strongly influenced by our experiences and expectations, as well as our attention and arousal state.

Our brain thereby actively influences and filters sensory information; mainly using so called “top-down” inputs. Failure to do so can lead to medical conditions, such as attention deficit disorder or autism. It is well established that modulations of information processing occur in higher brain areas such as neocortex and hippocampus. However, less is known about the mechanisms by which top-down inputs are affecting early processing stages of the brain. Modulations at these early stages are of particular importance since they will affect all subsequent processing steps.

Our lab investigates top-down modulations using the olfactory system (sense of smell) as a model. In the olfactory system top-down inputs to the earliest stage of information processing, the olfactory bulb, seem to be particular important as they even outnumber direct synaptic sensory inputs.

In order to investigate the mechanisms by which top-down inputs are affecting early sensory information processing and the specific behavioral contexts leading to their activation our lab uses a large variety of new optogenetic tools in combination with 2-photon microscopy and extracellular recordings.

To learn more about our research please don’t hesitate to contact us.

 

 

 

Unsere Sinne ermöglichen es uns, schnell auf unserer Umwelt zu reagieren. Allerdings ist das, was wir wirklich wahrnehmen (und was nicht!), stark beeinflusst durch unsere Aufmerksamkeit sowie Erwartungen und frühere Erfahrungen (siehe auch https://www.youtube.com/watch?v=vJG698U2Mvo, „selective attention test“).

Unser Gehirn filtert und moduliert also aktiv Informationen, die wir von unseren Sinnen erhalten, vor allem durch die Verwendung sogenannter „top-down“ Eingänge. „Top-down“ Systeme sind Hirnareale die beispielsweise über Ziel und Zweck gebundene aber auch multimodale Information verfügen und mit einer Vielzahl von anderen Hirngebieten verschaltet sind. Bei einer Störung dieser Systeme kann es zu schweren Erkrankungen wie beispielsweise dem Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom oder Autismus kommen. Man weiß allerdings bisher nur wenig darüber wie diese „top-down“ Eingänge sensorische Informationsverarbeitung früher Verschaltungen im Gehirn beeinflussen. Modulationen in diesen frühen Verarbeitungsarealen sind dabei von entscheidender Bedeutung da sie auch alle nachfolgenden Verarbeitungsschritte beeinflussen.

In unserem Labor untersuchen wir diese „top-down“ Modulationen und verwenden das olfaktorische System (Geruchssinn) als Model. „Top-down“ Eingänge zur frühsten Stufe der Geruchsinformationsverarbeitung, dem Riechkolben oder olfaktorischen Bulbus (OB), scheinen dabei besonders wichtig zu sein, da sie sogar die Anzahl der direkten sensorischen Eingänge überwiegen.

Das diagonale Band von Broca (HDB) ist eines dieser „top-down“ Systeme und versorgt den OB mit neuromodulatorischen Eingängen, welche als Hauptakteure bei der Vermittlung von aufmerksamkeitsabhängigen Veränderungen der sensorischen Informationsverarbeitung gelten. In unserer Arbeitsgruppe möchten wir die neuronalen Zielgruppen von „top-down“ Systemen näher untersuchen, sowie Verhaltenskontexte entschlüsseln, die zu ihrer Aktivierung führen. Hierzu verwenden wir eine Vielzahl von neuen optogenetischen Methoden (siehe auch http://syntheticneurobiology.org/) in Kombination mit Epifluoreszenz und Multiphotonen-Mikroskopie sowie extrazellulären Ableitungen. Die Verwendung dieser Methoden ermöglicht es uns, die Aktivität von definierten neuronalen Subpopulationen im OB isoliert zu betrachten (z.B. nur exitatorische oder inhibitorische Neurone) und uns zu fragen, wie sich die Aktivierung eines „top-down“ Systems auf verschiedene Zelltypen und somit die Informationsverarbeitung und schlussendlich das Verhalten, auswirkt.