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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-65955
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6595/


Entwicklung multisensorischer Prozessierung im primären somatosensorischen Kortex der Ratte : Mechanismen und Kommunikationsstrategien crossmodaler Netzwerkaktivitätsmodulation und kritische sensorische Einflüsse

Sieben, Kay

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SWD-Schlagwörter: Entwicklung , Sensorische Deprivation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Multisensorik , Oszillationen , evozierte Potentiale , Phasenrückstellung , neuronale Netzwerke , Synchronität , anatomische Konnektivität
Basisklassifikation: 42.17 , 42.63
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hanganu-Opatz, Ileana (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.10.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 06.02.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Alltägliche Wahrnehmung und Interaktion mit unserer Umwelt beruht auf der Integration von Informationen, detektiert durch unsere Sinne. Die klassische Idee der sensorisch-konvergenten Hierarchie wurde aufgrund neuerer Studienergebnisse am Menschen, im Primaten und in Nagern angezweifelt, die allesamt zeigen, dass multisensorische Prozessierung bereits in „modalitätsspezifischen“ neokortikalen Regionen, wie den primären sensorischen Kortizes, auftritt. Dennoch sind neuronale Mechanismen und Verarbeitungsnetzwerke, die den multisensorischen Interaktionen zugrunde liegen, wenig verstanden und erforscht.
Der erste Teil der Dissertation zeigt die essentielle Rolle evozierter, induzierter und spontaner Netzwerkoszillationen und direkter kortiko-kortikaler Konnektivität zwischen primären sensorischen Kortizes für visuell-somatosensorische Interaktionen. Extrazelluläre Aufnahmen des lokalen Feldpotentials in den verschiedenen kortikalen Laminae des Barrel-Feldes in Brown Norway Ratten in vivo offenbarten, dass bimodale Stimulation (simultane Lichtblitze und Vibrissenauslenkungen [Vibrissen=Schnurrhaare]) die taktil-evozierte Antwort supraadditiv verstärkte und die Leistung induzierter Netzwerkoszillationen durch Phasenrückstellung spontaner Oszillationen veränderte. Bimodale Stimulation steigerte zusätzlich die Synchronität und stärkte die Kommunikation zwischen primärem visuellem (V1) und somatosensorischen Kortex (S1). Anatomisches Tracing offenbarte direkte anatomische Konnektivität zwischen diesen Arealen. Eine pharmakologische Blockade der V1-Aktivität reduzierte die crossmodalen Modulationseffekte der oszillatorischen S1-Aktivität, wobei die frühe Verstärkung der evozierten Antwort unverändert blieb. Somit scheinen visuelle Stimuli die taktile Prozessierung durch Modulation der Netzwerkoszillationen im S1 mittels kortiko-kortikaler Projektionen und subkortikaler feedforward Interaktionen zu beeinflussen.
Ähnlich wie in der unisensorischen Entwicklung hängen die Reifung multisensorischer Neurone in Konvergenzarealen, wie den Colliculi superiores, und die Ausbildung crossmodaler Fähigkeiten essentiell von sensorischem Input in kritischen Perioden ab. Die Mechanismen, kritischen Perioden und erfahrungsabhängige Aktivität, die der Entwicklung crossmodaler Effekte in primären sensorischen Kortizes zugrunde liegen, sind jedoch größtenteils unerforscht.
Der zweite Teil dieser Dissertation fokussiert sich auf die Konvergenz visueller und taktiler Informationen im S1 und V1 von Brown Norway Ratten in zwei unterschiedlichen Entwicklungszuständen: (i) vor aktiver multisensorischer Exploration und (ii) in adulten Ratten nach neonataler taktiler Deprivation. Trotz der fehlenden multisensorischen
Erfahrung zeigten die präjuvenilen Ratten in der Verstärkung der taktil-evozierten Antwort, in der Leistungsmodulation induzierten Netzwerkoszillationen und in der Phasenrückstellung spontaner Oszillationen nach bimodaler Stimulation einen adulten Phänotyp. Im Gegensatz dazu hob neonatale taktile Deprivation die frühe crossmodale Verstärkung der evozierten Aktivität auf, veränderte das Profil der induzierten Leistungsmodulation durch Verschiebung der Phasenrückstellung spontaner Aktivität auf niedrigere Frequenzen und störte die kortiko-kortikale anatomische Konnektivität und funktionelle Kommunikation in der adulten Ratte. Taktil-deprivierte Tiere verloren
zusätzlich ihre crossmodalen Objekterkennungsfähigkeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass taktile, aber nicht crossmodale oder visuelle Erfahrung für die Entwicklung multisensorischer Prozessierung im S1 benötigt wird.
Kurzfassung auf Englisch: Real-world perception of environment and optimal behavior relies on integration of information from multiple senses. The classical idea of a hierarchical sensory organization is challenged by recent evidence from human, primate and rodent work showing that multisensory processing is already taking place in putatively unisensory neocortical regions like the primary cortices. However, the neural mechanisms and processing networks underlying multisensory interactions are still poorly understood.
In the first part of the dissertation we demonstrate the critical role of evoked, induced and spontaneous network oscillations and direct cortico-cortical connectivity between primary sensory cortices in visual-somatosensory interactions. Extracellular local field potential recordings from all layers of the barrel field in Brown Norway rats in vivo showed that bimodal stimulation (simultaneous light flash and whisker deflection) augmented the tactile-evoked response and changed the power of induced network oscillations via resetting the phase of ongoing oscillations. Bimodal stimulation also increased the synchrony and strengthened the communication between primary visual (V1) and somatosensory (S1) cortex. Anatomical tracing revealed sparse direct connectivity between these regions. Pharmacological silencing of V1 diminished but did not abolish cross-modal effects on S1 oscillatory activity, while leaving the early enhancement of the evoked response unaffected. Thus, visual stimuli seem to impact tactile processing by modulating network oscillations in S1 via cortico-cortical projections and subcortical feed-forward interactions.
Similar to unisensory development maturation of multisensory neurons in convergence regions, like the superior colliculus, and maturation of cross-modal abilities are dependent on sensory input during critical periods. However, the mechanisms, critical periods and experience-dependent activity underlying the development of cross-modal effects in primary sensory cortices remain largely unknown.
To elucidate this issue, we focused in the second part of the dissertation on the convergence of visual and tactile information in the S1 and V1 of Brown Norway rats at two developmental stages: (i) before active multisensory exploration and (ii) adult stage after neonatal tactile deprivation. Despite the lack of visual or multisensory experience, pre-juvenile rats showed an adult phenotype for augmentation of tactile-evoked response, power change of induced network oscillations and phase-reset of ongoing oscillations due to bimodal stimulation. On the other hand, neonatal tactile deprivation abolished the early cross-modal effects on evoked activity, changed the profile of induced power modulation via shifting the phase-reset of spontaneous activity to lower frequencies and disturbed the
cortico-cortical anatomical connectivity and functional communication in the adult rat. Tactile deprived animals also lost their ability to perform cross-modal object recognition tasks. Thus, tactile, but not minimal cross-modal or visual experience is mandatory for the development of multisensory processing in the S1.

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