Unsere Forschung zielt darauf ab, die krankheitsbedingten Veränderungen der synaptischen Signalverarbeitung während des Verhaltens zu verstehen. Schon kleinste Veränderungen in der Verrechnung synaptischer Signale können zu pathologisch veränderten Aktivitätsmustern von Nervenzellen und deren Netzwerken führen. Sowohl ein ausgewogenes Zusammenspiel von neuronaler Erregung und Hemmung,  als auch verhaltensabhängige Neuromodulation steuern den Informationsfluß durch unsere Gedächtnisareale. Wir verwenden optische und elektrophysiologische Methoden, um die Informationsverarbeitung zu verstehen und deren pathologischen Veänderungen bei neurodegenerativen Erkrankungen aufzuklären.

1. Veränderte neuronale Erregbarkeit in Mausmodellen der Alzheimer Erkrankung. Die Struktur von Nervenzellen, insbesondere von Dendriten, bestimmt die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen und damit die neuronale Signalverarbeitung. Im Hirn von Alzheimer Patienten und in Mausmodellen findet man pathologische Veränderungen dieser kabelartigen Verzweigungen (Dendriten). Mit Hilfe von Ganzzell-Patch-Clamp ableitungen, strukturellen Rekonstruktionen, höchstauflösender STED Mikroskopie und Computermodellierung konnten wir einen pathologischn Zusammenhang zwischen veränderter Struktur und Funktion von Nervenzellen herstellen. Es stellte sich heraus, dass die Degeneratin von Dendriten mit erhöhter Erregbarkeit von hippokampalen Nervenzellen einhergeht (Šišková et al, 2014). Wir untersuchen zur Zeit, wie sich diese veränderte Funktion auf Gedächtnisprozesse auswirkt, und suchen nach therapeutischen Ansätzen zur Regulation der neuronalen Übererregbarkeit.

2. Neuromodulation von Gedächtnisschaltkreisen und spezifische Anfälligkeit bestimmter Areale für Neurodegeneration

Subkortikale Hirnregion wie der Locus coeruleus und das mediale Septum zeigen eine frühe Anfälligkeit für neuropathologische Veränderungen. Mit unserer Arbeit konnten wir zeigen, dass die Initierung und Steuerung von Bewegung im Raum eng an die neuronale rhytmische Aktivität von Nervenzellen im Hippokampus gekoppelt ist. Diese Kopplung findet im medialen Septum statt. Die Aktivität von Nervenzellen im medialen Septum wirkt sich direkt auf die Laufgeschwindigkeit und die Oszillationsfrequenz des Theta-Rhythmus aus. Mit steigender Laufgeschwindigkeit werden die Nervenzellen in den Gedächtnisarealen enthemmt – sie werden aktiver (Fuhrmann et al, 2015, Justus et al, 2017). Aktuelle untersuchen wir wie sich die Aktivierung des noradrenergen Systems auf die Regulation der hippokampalen Signalverarbeitung während des Verhaltens auswirkt.

3. Dendritic encoding of movement in space (SUBDECODE-ERC). Wir unteruchen den Zusammenhang von neuronaler Aktivität und Verhalten basierend auf einem besseren Verständnis der synaptischen Signalverarbeitung von Nervenzellen. Wir haben dazu Methoden weiterentwickelt, die es uns ermöglichen synaptische Signale während des Verhaltens zu kartieren und durch Computersimulation die Generierung von Output vorherzusagen. Diesen Ansatz verfolgen wir in Nervenzellen der Gedächtnisareale (Hippokampus).