INSeLN - Role of Inhibitory Neurons in the Self-Organization of Neuronal Networks
Graphics: Samora Okujeni
The yin and yang of excitation and inhibition is an important factor in the functional stability of the brain but the role of this interaction in the structural development of neuronal networks is poorly understood. A keycontrol variable in this is the spontaneous network activity emerging with the developmental formation of synaptic contacts. Excitatory inputs can be seen as attractive and guide neuronal migration and the elaboration of neurites to increase interconnectivity. This attractiveness is limited, though. Neurons receiving excess excitatory input are thought prune their neurites and synaptic connections to maintain their activity levels within functional dynamic ranges. In model systems, the homeostatic regulation of connectivity seems sufficient to stabilize activity levels in a neuronal network. What then is the role of inhibition in network differentiation? About one fifth of cortical neurons become inhibitory in the course of development. Are these neurons less attractive and avoided by growing neurons? If so, is this reflected in the resulting network architecture?
"There are many indications that the maturation of inhibitory signaling is also activity-dependent", Samora Okujeni explains.This suggests that future inhibitory interneurons exert their negative influence only once connectivity and activity levels are sufficiently high. We predict that this allows interneurons to initially integrate into the network following the same wiring principles as other neurons. In turn, we reason that inhibitory neurons should indeed be unattractive in early phases of growth. Later, by counteracting excess excitation, inhibition may enable higher connectivity, increasing the functional interaction range of neurons. In the new project, we aim to gain a general mechanistic understanding of how excitatory and inhibitory neurons interact during early network development. Investigating such fundamental principles of brain self-organization may also contribute to the understanding of developmental brain disorders involving abnormal inhibition.
The tandem project "Role of Inhibitory Neurons in the Self-organization of neuronal Networks - INSelN" will involve two prospective PhD candidates that will utilize experimental and computational approaches to investigate the role of inhibition in the homeostatic self-organization of neuronal networkstructure and function.
Link to the Project Description
Contact:
Dr. Samora Okujeni
Biomicrotechnology
Dept. of MicroSystems Engineering
Georges-Köhler-Allee 102
79102 Freiburg
samora.okujeni@imtek.uni-freiburg.de
INSelN - Einfluss Inhibitorischer Neurone auf die Selbstorganisation neuronaler Netzwerke
8. Dezember 2022: die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein Projekt von Samora Okujeni, das die Rolle der Inhibition bei der aktivitätsabhängigen strukturellen Selbstorganisation neuronaler Netzwerke experimentell und mit Computermodellen untersuchen wird.
Das Yin und Yang von Erregung und Hemmung ist ein wichtiger Faktor für die funktionelle Stabilität des Gehirns, aber eine strukturgebende Rolle dieser Interaktion bei der morphologischen Entwicklung neuronaler Netzwerke wurde bisher wenig untersucht. Eine wichtige Kontrollvariable im Wachstum neuronaler Netzwerke ist die spontane Netzwerkaktivität, die sich im Zuge einer voranschreitenden Ausbildung von Synapsen ausbildet. Erregende synaptische Signale dirigieren das Neuritenwachstum und auch die neuronale Migration um Interkonnektivität und damit Aktivität effizient zu erhöhen und können daher während des Vernetzungsprozesses als attraktiv angesehen werden.
Diese Anziehungskraft ist jedoch begrenzt. Neurone, die übermäßig vom Netzwerk angeregt werden, beschneiden ihre Neuriten und synaptischen Verbindungen, um ihr Aktivitätsniveau innerhalb funktioneller dynamischer Bereiche zu halten. In Modellsystemen scheint diese homöostatische Regulierung der Konnektivität auszureichen, um das Aktivitätsniveau in einem neuronalen Netzwerk zu stabilisieren.
Dies wirft die Frage nach der Funktion von Hemmung bei der Netzwerkdifferenzierung auf. Etwa ein Fünftel der kortikalen Neuronen wird im Laufe der Entwicklung inhibitorisch, d.h., sie wirken hemmend auf die Aktivität ihrer Zielneurone. Nach obiger Logik müssten diese Neurone also weniger attraktiv sein und von wachsenden Neuronen gemieden werden. Dies wiederum lässt einen Einfluss auf die entstehende Netzwerkarchitektur vermuten.
"Vieles deutet darauf hin, dass die Reifung der hemmenden Signalübertragung auch aktivitätsabhängig ist", erklärt Samora Okujeni. "Dies legt nahe, dass der hemmende Einfluss erst ausgeübt wird, wenn Konnektivität und Aktivität ausreichend hoch sind. Wir gehen davon aus, dass dies es ermöglicht, dass sich diese Neurone zunächst nach den allgemeinen Vernetzungsprinzipien im Netzwerk integrieren. Umgekehrt gehen wir davon aus, dass hemmende Neuronen in frühen Wachstumsphasen tatsächlich unattraktiv sind. Im späteren Verlauf der Entwicklung kann die Hemmung übermäßige Erregung ausgleichen und damit höhere Konnektivität und einen grösseren funktionellen Interaktionsbereich für Neuronen ermöglichen.
In dem neuen Projekt wollen wir ein mechanistisches Verständnis dafür gewinnen, wie erregende und hemmende Neuronen während der frühen Netzwerkentwicklung interagieren. Die Erforschung solch grundlegender Prinzipien neuronaler Selbstorganisation im Gehirn würde auch dem Verständnis von Entwicklungsstörungen des Gehirns dienen, die mit abnormaler Hemmung einhergehen".
Das Tandemprojekt "Einfluss Inhibitorischer Neurone auf die Selbstorganisation neuronaler Netzwerke - INSelN" soll von zwei Doktoranden mit experimentellen und computergestützten Ansätzen verfolgt werden.
Kontakt:
Dr. Samora Okujeni
Biomicrotechnology
Dept. of MicroSystems Engineering
Georges-Köhler-Allee 102
79102 Freiburg
samora.okujeni@imtek.uni-freiburg.de