Neural bases of navigation in foraging and play

Abstract

Für die meisten Säugetiere ist Navigation eine essentielle kognitive Fähigkeit. Im Bereich der Neurowissenschaften gab es immense Fortschritte im Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der neuronalen Grundlage von Navigation im Hinblick auf Hirnstruktur (d.h. Parasubikulum) und ethologisch relevante Verhaltensweisen (d.h. Heimkehr und Spielverhalten). Im ersten Kapitel konzentriere ich mich auf das Verhältnis von Struktur und Funktion im Parasubikulum. Wir postulieren, dass das Parasubikulum durch seine selektive Vernetzung mit dem entorhinalen Kortex, durch seine starke interne Konnektivität, sowie wegen dem hohen Grad räumlich selektiver Aktivitätsmuster seiner Neurone im Bezug auf die Kontrolle von Gitterzellaktivität und räumlicher Navigation eine herausragende Stellung einnimmt. Im zweiten Kapitel untersuche ich die neuronale Grundlage von Heimkehr. Wir nutzen die starke Verbundenheit von Laborratten zu ihrem Zuhause. Wir zeigen, dass das Parasubikulum und der entorhinale Kortex keinen expliziten Heimvektor besitzen und dass die Präsenz des Zuhauses keine globale Veränderung der neuralen Repräsentation des Raums hervorruft. Allerdings führte die Präsenz des Zuhauses oder anderer geometrischer Objekte zu einer Verzerrung von Gitterzellen. Im dritten Kapitel unteruche ich Navigation im Hinblick auf Spielverhalten. Ratten erlernen das Versteckspiel schnell und verhalten sich erstaunlich regelkonform. Zeigen Ratten spielspezifische Vokalisationen. Gleichzeitige Ableitungen neuronaler Aktivität im medialen präfrontalen Kortex offenbarten starke und spezifische Antworten der meisten Nervenzellen auf verschiedene Phasen des Spiels des spezifischen Spielkontextes wiederspiegeln. Diese Arbeit liefert durch ihren ethologischen Ansatz und durch Verhaltensanalysen von sich frei verhaltenden Tieren einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation im Säugetiergehirn.

Navigation is an essential cognitive skill in the life of most animals. Animals move along space to procure the advantages of different places in the environment, and to adapt to ever changing resources, dangers and needs. This thesis addresses the neural bases of navigation in the context of brain structure (i.e. the parasubiculum) and ethologically relevant behaviors (i.e. homing and playing). In the first chapter I focus on the structure function relation of the parasubiculum: an understudied area of the rat’s parahippocampal cortex. We performed the most comprehensive study of the parasubiculum up to date and propose that, because of its selective connectivity with the medial entorhinal cortex, its internal connectivity, and the high spatial and head directional tuning of its neurons, the parasubiculum sits in remarkable position to control grid cell activity and navigation. In the second chapter, I study the neural bases of homing. We use the lab-rat' s strong attachment to its home cage to study whether brains maintain an online home vector. We show, that the parasubiculum and medial entorhinal cortex do not have an explicit home vector representation, and that the presence of home did not affect global encoding of space. However, we do find that grid cells are distorted by the home or other geometrical features affecting the internal environment. In the third chapter, I study navigation in an interspecies role-playing game. We played 'Hide and Seek' with rats and found that they acquired the game easily and played by the rules. Rats were strategic and developed game specific vocalizations patterns. We recorded from the medial prefrontal cortex and found that neurons respond sharply to different phases of the game, and may encode as well the context in which this events take place. By emphasizing ethological approaches and free behaviors this thesis contributes to an increased understanding of the neural underpinnings of navigation in the mammalian brain.