Sensorimotor transformation in the brain of C. elegans

Die sensorimotorische Transformation bezieht sich auf die komplexen neuronalen Prozesse, die sensorische Eingaben in motorische Befehle umwandeln und es Organismen ermöglichen, ihre Handlungen und Bewegungen effektiv auf äußere Reize abzustimmen. Dadurch wird die Interaktion mit und die Anpassung an ihre dynamische Umgebung erleichtert. Wichtige neue Perspektiven in der Neurowissenschaft, wie beispielsweise die „Coordination View“, betonen den komplexen Informationsfluss innerhalb sensorimotorischer Schaltkreise und die entscheidende Rolle der Aktivität interner Systeme in diesen Prozessen. In diesem Projekt nutzten wir das ethologisch relevante Verhalten des Bodenfadenwurms C. elegans, das darin besteht, durch Rückwärtskriechen hohe Sauerstoffkonzentrationen in der Umwelt zu vermeiden, um die sensorimotorische Transformation in seinem Nervensystem zu untersuchen. Die Hauptziele bestanden darin, die spezifischen neuronalen Schaltkreise zu identifizieren und gründlich zu beschreiben, die an diesem Prozess beteiligt sind, sowie die neuronalen Aktivitätsmuster aufzudecken, die die sensorimotorische Transformation steuern, und ihre funktionalen Rollen zu verstehen. Im Verlauf des Projekts entwickelten wir ein effektives experimentelles Paradigma zur Untersuchung der sensorimotorischen Transformation bei C. elegans, wobei wir die Vorteile des Ganzhirn-Ca2+-Imagings nutzten. Dies umfasste die Entwicklung eines ergänzenden Analysealgorithmus, der eine unvoreingenommene Identifizierung der an der Informationsverarbeitung beteiligten Neuronen ermöglicht und zwischen sensorischen und motorischen Verarbeitungsinhalten unterscheidet. Dieser Ansatz führte zu bedeutenden Erkenntnissen, die wesentliche Prinzipien der sensorimotorischen Transformation im Nervensystem des Wurms offenbarten. Unsere Studie enthüllte mehrere Indikatoren neuronaler Aktivität, die die „Coordination View“-Hypothese in der Neurowissenschaft unterstützen. Insbesondere entdeckten wir eine Variabilität der Reaktionen und zeigten die entscheidende Rolle des internen Zustands des Systems in diesem Phänomen auf. Darüber hinaus zeigten mehrere sensorische Neuronen und Interneuronen, die in diesem sensorimotorischen Schaltkreis identifiziert wurden, Aktivitätsmuster, die auf ihre Rolle in der Reaktionsvariabilität hinweisen. Ferner machten wir eine überzeugende Entdeckung über das zweite interneuronale Schichtneuron RIB, das dafür bekannt ist, eine Rolle bei der Steuerung der Vorwärtsbewegung zu spielen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Phase von niederamplitudigen, spontanen Aktivitätsmodulationen im RIB-Neuron das Zeitfenster für das Auslösen einer Rückwärtsbewegungsreaktion auf den Sauerstoffreiz festlegen könnte. Schließlich entdeckten wir zahlreiche Signaturen in den Aktivitätsprofilen von sensorischen Neuronen und Interneuronen, die auf potenzielle Feedback-Mechanismen hinweisen, die ihre Reaktionsfähigkeit basierend auf dem aktuellen internen Zustand des Schaltkreises modulieren könnten. Insgesamt charakterisierten wir die komplexen Dynamiken der sensorimotorischen Transformation und lieferten neue Einblicke in die Reaktionsvariabilität, die im Gehirn von C. elegans beobachtet wurde.