Het ontrafelen van de specifieke ondersteuningen van het celtype die vorm geven aan colliculair gemedieerd visueel gedrag

Celtypen zijn de bouwstenen van levende organismen, en de hersenen hebben de meest uitgebreide variëteit daarvan. Maar hoe (of in welke mate) verschillende neuronale celpopulaties bijdragen aan het tot stand brengen van gedrag blijft een open vraag. Het werk dat in mijn proefschrift wordt gepresenteerd, heeft tot doel een beter begrip te verkrijgen van de relatie tussen specifieke neuronale celtypen, het gedrag dat ze oproepen en de gerelateerde hersenbrede activiteit. In het eerste deel concentreer ik me op de functionele connectiviteit die wordt ondersteund door verschillende neuronale celtypen en het gedrag dat ze veroorzaken wanneer ze optogenetisch worden geactiveerd. In het tweede deel evalueer ik de noodzaak van twee verschillende celtypes voor een gedragsrepertoire als reactie op verschillende bedreiging-nabootsende visuele stimuli.

Als algemene aanpak gebruik ik de superior colliculus van de muis en de betrokkenheid daarvan bij visueel geleid gedrag als model systeem. De superior colliculus is een structuur in de middenhersenen die cruciaal is bij het bemiddelen van verschillende motorische acties door visuele aandacht te richten op of weg van ethologisch relevante stimuli (zoals voedsel, potentiële partner of roofdier). De colliculaire afhankelijke gedragingen zijn sterk stereotiep en zijn behouden bij alle soorten. Wat nog belangrijker is, er is sterk bewijs voor een verband tussen diverse aangeboren gedragingen en morfologisch en genetisch verschillende colliculaire celtypen. Deze kenmerken maken de superior colliculus een goed model voor het bestuderen van celtypen als structurele en functionele kanalen die snelle en betrouwbare sensomotorische transformaties ondersteunen en vergemakkelijken.

In het eerste deel van mijn proefschrift richt ik me op het beantwoorden van de vraag hoe specifieke genetisch gerichte celtypen van de superior colliculus gedragsrelevante informatie zenden doorheen de hersenen en daarbij hersenbrede functionele netwerken vormen. Om dat te doen, hebben we in een gezamenlijk werk eerst aangetoond dat optogenetische activering van vier verschillende celpopulaties verschillend gedrag veroorzaakt. Vervolgens combineerden we functionele ultrasound (fUSI) met optogenetica om het netwerk van 264 hersengebieden te onthullen die functioneel worden geactiveerd door deze colliculaire celtypen. Bovendien activeerde het stimuleren van elke neuronale groep verschillende sets hersengebieden. Dit omvatte gebieden waarvan eerder niet werd gedacht dat ze defensief gedrag mediëren, bijvoorbeeld de achterste paralaminar kernen van de thalamus (PPnT), waarvan we hebben aangetoond dat ze een rol spelen bij het onderdrukken van gewenning. Neuronale opnames met Neuropixels-sondes met hoge dichtheid toonden aan dat (1) patronen van spiking-activiteit en fUSI-signalen goed correleren in de ruimte en (2) neuronen in stroomafwaartse gebieden bij voorkeur reageren op aangeboren bedreigende visuele stimuli. Dit werk geeft inzicht in de functionele organisatie van de netwerken die aangeboren gedrag bepalen (variërend van oriënteren tot verschillende niveaus van stoppen tot gerichte ontsnapping) en demonstreert een experimentele benadering om de neuronale activiteit van de hele hersenen stroomafwaarts van gerichte celtypen te onderzoeken.

In het tweede deel van mijn proefschrift concentreer ik me op de rol van twee colliculaire celtypen in het reageren op natuurlijke, ethologisch relevante visuele stimuli. Specifiek heb ik onderzocht hoe veranderingen in de opvallendheid van verschillende visuele stimuli gedragsreacties beïnvloeden en hoe deze reacties worden ondersteund door de activiteit van verschillende celtypen in de superior colliculus. Om dat te doen, ontwierp ik verschillende scenario's voor bedreigingsopvallendheid door parameters te manipuleren, zoals de grootte of het contrast van twee sets visuele stimuli die lijken op rondvliegende of naderende roofdieren. Ik heb aangetoond dat (1) de kracht van reacties op deze stimuli toenam met de waargenomen bedreigingsintensiteit; (2) de prikkels die voorheen als ethologisch neutraal werden beschouwd, riepen defensieve reacties op, zoals stoppen of zich verstoppen in een veilige ruimte, en (3) deze reacties lijken differentieel te worden gemoduleerd door de activiteit van twee genetisch en morfologisch verschillende colliculaire celtypen: wide-field en narrow-field neuronen. Vrij bewegende gedragsexperimenten in combinatie met chemogenetische remming van deze neuronale populaties resulteerden in een reeks beperkingen van reacties op potentieel gevaarlijke visuele prikkels, gekenmerkt door een significante afname van hun defensieve gedragsrepertoire. Meer specifiek heb ik aangetoond dat remming van colliculaire wide-field neuronen het vermogen van een dier om adequaat te reageren op elke stimulus aanzienlijk vermindert. Daarentegen resulteerde de remming van narrow-field neuronen in minder uitgesproken gedragsreacties op een subset van stimuli. Deze resultaten benadrukken het belang van verschillende celtypen in de hersenen en suggereren functionele specialisatie bij het evalueren van bedreigingen. Het valt nog te ontdekken hoe de neurale activiteit die door deze celtypen wordt gefaciliteerd, lokale neurale activiteit en globale hersenbrede dynamiek inzet om passend gedrag op te roepen.

Over het algemeen benadrukt dit werk het belang van celtypen als functionele bouwstenen in de hersenen en geeft het inzicht in hoe ze informatieoverdracht kunnen vergemakkelijken.