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Leona Enke

• The neocortical microcircuit, a local network of excitatory and inhibitory neurons, is a highly complex information processing unit, which can flexibly be modulated to adapt to external context and internal state such as motivation or attention. The mechanisms underlying these adaptations for flexible processing are not sufficiently understood yet. The aim of this study is to further elucidate the role of inhibitory and excitatory components of the local neocortical microcircuit for the processing of sensory information in an awake, behaving animal. Layer 1 of the neocortex is of particular importance because it contains afferents from the thalamus and more distant cortical regions, which relay top-down information that is important for processes such as learning and attention. The dendrites of the excitatory pyramidal neurons located in deeper layers extend into layer 1, and in addition to that layer 1 contains inhibitory neurons, as well as axons from inhibitory somatostatin expressing (SOM) neurons located in lower layers. These layer 1 inhibitory neurons and SOM axons are therefore well positioned to control top-down information transfer at the pyramidal dendrites, and thus to flexibly regulate information processing in the local circuit. To further investigate this, the stimulus responses in inhibitory (SOM axons) and excitatory (layer 2/3 pyramidal neurons) components of the neocortical microcircuit were measured in primary auditory cortex during learning, when auditory stimuli gain relevance. For this purpose, I first established a suitable learning behaviour, an auditory GO-NOGO discrimination task, which can be performed by head-fixed mice under the microscope. The task also contains a visual start cue, which signals the start of every trial, as a multimodal element. Mice learn to distinguish two auditory stimuli by being rewarded with water after the GO stimulus and receiving no reward after the NOGO stimulus. They indicate that they have identified the stimuli accordingly by licking at a water dispenser during the GO stimulus and not during the NOGO stimulus. Licking during the NOGO stimulus is punished by an aversive air puff. As the mice learn this behaviour, the stimuli gain relevance. The activity in the same neuronal structures was observed over the course of all training sessions via 2-photon imaging in awake, behaving mice, and their stimulus responses were measured throughout the learning process, acquiring a comprehensive dataset. In these data, short-term and long-term plasticity of the stimulus responses can be detected and these changes in the stimulus responses differ for SOM axons and pyramidal neurons. Already from the first training day, stimulus responses change in the course of a single session, both in SOM axons and in pyramidal cells. With time over the course of task acquisition, the stimulus representation in a group of pyramidal neurons in layer 2/3 is enhanced and distal dendrites are less inhibited over training through reduced activation of the SOM axons, so that the integration of information along the somatodendritic axis shifts, increasing the relative impact of top-down information. This shift is even stronger for the NOGO stimulus in correct trials compared to the GO stimulus. This is the first study to show that this somato-dendritic shift by SOM-axon responses occurs at different strengths for the GO and NOGO stimulus, probably due to the different learned responses (action or refraining), which require different forms of circuit control. After learning, the neuronal responses to GO and NOGO stimuli also differ in pyramidal neurons, with the GO stimulus evoking stronger responses than the NOGO stimulus. This learned distinction is reversed in passive trials during which the mice have no possibility to respond to the stimuli, in both SOM axons and pyramidal neurons, resulting in similar response sizes for both stimuli. This indicates that not only learning over the long term, but also short-term changes regarding the state (active execution of the discrimination task or no active participation during the stimulus presentations) affect the processing of the stimuli in the local circuit. In addition, on an even shorter time scale pyramidal neurons show a modulation of responses from trial to trial, probably due to anticipation of reward, which is absent from SOM axon responses. Thus, there are various levels of plasticity that develop over the course of training: long-term changes in the response size of both the excitatory and inhibitory components that facilitate stimulus recognition when engaged, and short-term modulation (possibly in anticipation of reward) in excitatory neurons that could underlie sensorimotor transformation. Both pyramidal neurons and SOM axons in the primary auditory cortex respond to multimodal and reinforcement-related stimuli, likely contributing to the optimisation of circuit dynamics for goal-directed information processing. This shows that the circuit flexibly adjusts information processing under different circumstances, depending on the relevance the stimuli carry and whether the mouse is active or inactive and can use the presented information to achieve a goal.
• Die Funktionsweise des Gehirns ist noch immer nicht ausreichend verstanden, da dieses Organ eines der komplexesten uns bekannten Systeme darstellt. Eine wichtige Frage, die es zu beantworten gilt, lautet: wie verarbeitet das Gehirn die aus der Umwelt eingehenden Informationen so, dass dabei aktuelle Bedürfnisse und innere Verfassung miteinbezogen werden, um ein zielgerichtetes Verhalten zu erzeugen? Die Ebene, auf der ich die Funktionsweise des Gehirns in dieser Studie untersuche, ist der neokortikale Schaltkreis, ein lokales Netzwerk aus Neuronen. Der Neokortex bildet die das Gehirn umgebende Hirnrinde, und integriert Informationen in auf verschiedene Funktionen oder Sinne spezialisierten Arealen. Die große Anzahl der vielfältigen Typen von Neuronen im Gehirn lässt sich grob in zwei Gruppen unterteilen: exzitatorische Neurone, die über Verbindungen zu anderen Zellen diese anregen, und inhibitorische Interneurone, welche andere Zellen hemmen. Während exzitatorische Neurone häufig ihre Fortsätze bis in andere Gehirnareale senden, kontaktieren die inhibitorischen Interneurone meist nur die lokalen Neuronen in ihrer näheren Umgebung. Die Gruppe der inhibitorischen Interneurone lässt sich auf der Basis von Kriterien wie Morphologie, Konnektivität, charakteristischen Aktivitätsmustern und Expression genetischer Marker weiter unterteilen. Inhibitorische Interneurone können somit durch ihre verschiedenen Spezialisierungen z.B. auf Ebene der Konnektivität wie kleine Justierelemente innerhalb des lokalen Schaltkreises fungieren, und unter dem Einfluss von z.B. weitreichender Neuromodulation den Informationsfluss lokal regulieren und anpassen. Der Neokortex besteht aus sechs Schichten, die durch die spezifische Anordnung und Morphologie der darin enthaltenen Neuronen gekennzeichnet sind. Schicht 1 ist die äußerste Schicht des Kortex und enthält keine exzitatorischen Neuronen, jedoch verschiedene inhibitorische Interneuronentypen. Die Dendriten von exzitatorischen Pyramidenzellen aus den tiefer liegenden Schichten erstrecken sich bis in Schicht 1 hinein. Zudem führen zahlreiche Zellfortsätze aus entfernteren kortikalen und thalamischen Hirnarealen sowie neuromodulatorische Zellfortsätze durch Schicht 1 hindurch, und können über Top-Down Input lokal die Informationsverarbeitung beeinflussen. Eine vereinfachte Beschreibung des Informationsflusses durch den lokalen Schaltkreis während der Verarbeitung sensorischer Reize liefert der kanonische kortikale Mikroschaltkreis: Stimulusinformation wird vom Thalamus vermehrt zu exzitatorischen Neuronen in Schicht 4 gesendet, von dort zu Pyramidenzellen in Schicht 2/3, wo sie verarbeitet wird, und weiter zu Pyramidenzellen in Schicht 5, welche nach weiterer lokaler Verarbeitung die Information wieder an entferntere Hirnareale weitergeben. Die Informationsverarbeitung im lokalen neokortikalen Schaltkreis ist hochkomplex und hängt von vielen weiteren Faktoren ab. Dies konnte in verschiedenen Experimenten gezeigt warden, so ist es z.B. für die Furchtkonditionierung, wenn eine Assoziation zwischen einem milden Stromstoß und einem auditorischen Stimulus gebildet wird, notwendig dass inhibitorische Neurone in Schicht 1 des auditorischen Kortex, durch cholinerge Neuromodulation aktiviert, eine lokale Disinhibition von Pyramidenzellen bewirken. Dies zeigt, dass inhibitorische Interneurone entscheidend sind für die flexible Dynamik der lokalen Informationsverarbeitung, und zusätzlicher Top-Down Input oder Neuromodulation aus anderen Regionen die Verarbeitung beeinflussen. Viele Vorgänge und Mechanismen in neokortikalen Schaltkreisen, die verschiedenen Gehirnfunktionen wie z.B. Lernen zugrunde liegen, sind noch nicht vollständig verstanden. Daher ist das übergeordnete Ziel dieser Studie, weiter aufzuklären, welche Rolle die Komponenten eines neokortikalen Mikroschaltkreises für die Verarbeitung sensorischer Informationen in einem wachen Tier während Verhalten spielen, um besser zu verstehen, wie die Schaltkreisdynamik sich flexibel an den inneren Zustand und den äußeren Kontext anpassen. Hierfür werden die Stimulusanworten der Axone von Somatostatin-exprimierenden (SOM) inhibitorischen Interneuronen in Schicht 1 während Lernverhalten untersucht. In Schicht 1 treffen Top-Down Inputs ein, die die Informationsverarbeitung des sensorischen Stimulus beeinflussen können. Die Aktivität der SOM-Axone kann hierbei die Informationsweitergabe in den Dendriten der Pyramidenzellen kontrollieren. Darüber hinaus werden die Stimulusantworten in Pyramidenzellen in Schicht 2/3 während des Lernverhaltens gemessen, um zu untersuchen wie diese sich über den Verlauf des Lernens ändern, wenn ursprünglich neutrale Stimuli an Relevanz für das Verhalten gewinnen...