Investigation of spatio-temporal coding in the olfactory bulb of larval Xenopus laevis using fast confocal imaging

Abstract

Der olfaktorische Bulb (OB) ist die einzige zentrale Verarbeitungsstation des Geruchssinns. Gerüche werden im OB durch räumlich-zeitliche Aktivierungsmuster kodiert, wobei sowohl die Identität der aktivierten Neurone, als auch deren zeitliche Aktivitätsmuster reizabhängig sind. Eine angemessene Untersuchung der Duftstoffkodierung ist daher auf die gleichzeitige Beobachtung einer großen Zahl von Neuronen mit hoher zeitlicher Auflösung angewiesen. Bisher gibt es nur sehr wenige Veröffentlichungen zur Erfassung und Quantifizierung der zeitlichen Abhängigkeiten dieser neuronalen Muster. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein schnelles konfokales Mikroskop entwickelt, gebaut, charakterisiert und im folgenden benutzt, um zeitliche Abhängigkeiten der neuronalen Aktivitätmuster, visualisiert durch den calciumsensitiven Fluoreszenzfarbstoff Fluo-4, zu bestimmen. Im speziellen wurden die Antwortlatenzen der stimulierten Aktivität von Mitralzellensembles im OB von Xenopus Larven untersucht. Zur Quantifizierung der Ähnlichkeit von Latenzmustern wurde ein neues Maß, der Inversionsindex, eingeführt. Mit Hilfe dieses Maßes konnte gezeigt werden, dass wiederholte Reizungen mit dem gleichen Duftstoff sehr reproduzierbare Latenzmuster hervorruft. Zudem wurde gezeigt, dass die Latenzmuster sehr informativ bezüglich der Geruchsidentität sind, und nur schwach von der Konzentration abhängen. Diese Beobachtungen legen nahe, dass das Latenzmuster der Mitralzellantworten ein wichtiger geruchsspezifischer Aspekt des olfaktorischen Kodes ist, welcher im OB generiert wird. Beziehungen zu anderen Eigenschaften des Geruchssinns und potentielle Dekodierungsstrategien werden diskutiert. Für eine zweite Anwendung des schnellen Mikroskops wurde spontane Aktivität im OB in Form von Zeitserien von Bildstapeln aufgenommen. Die verschiedenen Zeitverläufe der Aktivitätsmuster wurden genutzt, um funktionelle Karten zu erstellen, auf denen der dendritische Bau einer Vielzahl von Neuronen klar zu erkennen ist. Diese Methode liefert eine mehrfarbige und kontrastreiche Visualisierung des neuronalen Netzwerkes, illustriert am Beispiel der Mitralzellen im OB von Xenopus Larven. Da diese Methode sowohl funktionelle als auch strukturelle Informationen neuronaler Populationen liefert, eröffnet sie nie da gewesene Möglichkeiten zur Untersuchung neuronaler Netzwerke.