German Title: Hippocampus-Repräsentationen der Zielfindung auf der Grundlage von Pfadintegration

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Abstract

The ability to plan and execute a journey to a specific destination is essential for the survival of individuals of different species. Purposeful navigation can be achieved using landmark-based navigation and path integration. During path integration, the animal integrates self-motion information to estimate its location. Path integration is needed when external landmarks, such as visual landmarks, odour or auditory cues, are unavailable or when the animal visits unfamiliar environments. The study of the neuronal basis of path integration has been hampered by the lack of behavioural paradigm assessing path integration that allows simultaneous in vivo electrophysiological recordings in freely moving animals. Lesion studies have shown that the hippocampus and parahippocampal area are involved in path integration but the firing activity of the spatially selective cells, such as place cells, during path integration is unknown. Here, we developed a new behavioural paradigm (Automated Path Integration or AutoPI) to study homing behaviour based on path integration. In this task, a mouse finds a movable lever on the arena, presses it and returns to its home base to collect a food reward. Using the AutoPI task, we could record the firing pattern of the neurons in a large arena and investigate their spatial properties during homing behaviour. We used silicon probes to record the activity of hippocampal pyramidal cells when mice were running in AutoPI. By comparing the firing activity of neurons in the AutoPI task and during random foraging, we detected a complete reorganisation of hippocampal ensembles. We also found that several hippocampal pyramidal cells were firing when the animal was close to the lever (lever-anchored cells), independently of the lever's location on the arena. The spatial stability of lever-anchored cells was reduced during the trials with inaccurate homing. Moreover, the firing activity of lever-anchored cells also predicted the homing direction of the mice. These findings describe how hippocampal neurons with object-anchored firing fields contribute to homing behavior based on path integration.

Translation of abstract (German)

Die Fähigkeit, einen Weg zu einem bestimmten Ziel zu planen und durchzuführen, ist für das Überleben von Individuen verschiedener Arten von entscheidender Bedeutung. Eine zielgerichtete Navigation kann mit Hilfe der landmarkenbasierten Navigation und der Pfadintegration erreicht werden. Bei der Pfadintegration integriert das Tier Informationen über die Eigenbewegung, um seinen Standort in der Umgebung zu bestimmen. Die Pfadintegration ist erforderlich, wenn externe Landmarken wie visuelle Orientierungspunkte, Geruchs- oder Hörzeichen nicht zur Verfügung stehen oder wenn das Tier eine ihm unbekannte Umgebung aufsucht. Die Untersuchung der Pfadintegration war dadurch limitiert, dass es bisher kein Verhaltensparadigma gab, das elektrophysiologische In-vivo-Aufzeichnungen ermöglichte, während ein Tier eine große Umgebung erkundet. Der Hippocampus und das parahippocampale Areal sind an der Pfadintegration beteiligt. Allerdings ist die Aktivität der räumlich selektiven Zellen, wie z. B. der Ortszellen, während der Pfadintegration unbekannt. Hier haben wir ein neues Verhaltensparadigma (Automated Path Integration oder AutoPI) entwickelt, um das auf der Pfadintegration basierende Homing-Verhalten zu untersuchen. Bei dieser Aufgabe müssen die Mäuse einen beweglichen Hebel in der Arena finden, ihn betätigen und zur Belohnung zur Ausgangsbasis zurückkehren. Mit Hilfe der AutoPI-Aufgabe können wir das Feuerungsmuster der Neuronen in einer großen Arena aufzeichnen und ihre räumlichen Eigenschaften während des Homings in Licht und Dunkelheit untersuchen. Mit Hilfe von Silizium-Elektroden haben wir die Aktivität von Pyramidenzellen im Hippocampus während AutoPI und bei der zufälligen Futtersuche aufgezeichnet. Durch den Vergleich der Zellaktivität bei der AutoPI-Aufgabe und bei der zufälligen Futtersuche konnten wir eine vollständige Reorganisation der Hippocampus-Ensembles feststellen. Wir konnten auch beobachten, dass mehrere Pyramidenzellen im Hippocampus feuern, wenn sich das Tier in der Nähe des Hebels befindet (Hebel-verankerte Zellen), unabhängig von der Position des Hebels in der Arena. Die räumliche Stabilität der Hebel-verankerten Zellen war reduziert in Versuchen, die ungenaues Homing aufzeigten. Dadurch konnte die Zielrichtung der Mäuse durch die Aktivität der Hebel-verankerten Zellen vorhergesagt werden. Diese Ergebnisse beschreiben wie hippocampale Neuronen, die Objekt-verankerte Feuermuster aufweisen, zum Homing-Verhalten mittels Pfadintegration beitragen.