Multisensory integration in pyramidal cell dendrites in parietal cortex of awake behaving mice

Sacha, Abou Rachid; Kampa, Björn M.; Musall, Simon Fritjof

doi:45537

Multisensory integration in pyramidal cell dendrites in parietal cortex of awake behaving mice

Sacha, Abou Rachid^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sacha Abou Rachid

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kampa, Björn M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Musall, Simon Fritjof (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06438
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038320/files/1038320.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 2416 - GRK 2416: MultiSenses-MultiScales: Neue Ansätze zur Aufklärung neuronaler multisensorischer Integration (368482240) (368482240)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns, Informationen aus unterschiedlichen Sinnesmodalitäten zu integrieren, wird als multisensorische Integration (MSI)bezeichnet. MSI ist fundamental wichtig für die Erzeugung einer kohärenten Wahrnehmung der Welt und die Steuerung adaptiven Verhaltens. Obwohl die Verhaltensvorteile von MSI, wie verbesserte Detektion und Diskrimination, gutetabliert sind, bleiben die zugrunde liegenden neuronalen Berechnungen, insbesondere auf zellulärer und subzellulärer Ebene im Neokortex, weitgehend ungeklärt. Diese Doktorarbeit untersuchte die anatomischen Substrate und funktionellen Mechanismen der visuotaktilen Integration im Mausgehirn, wobei der Fokus auf dem rostrolateralen visuellen Areal (RL) lag, einer Region, die als parietaler Assoziationsknotenpunkt gilt. Wir untersuchten spezifisch die Rolle von Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 (L2/3)und deren Dendriten, mit der Hypothese, dass dendritische Berechnungen entscheidend für die Implementierung von MSI sind und durch Lernen modifiziert werden können. Um die Verschaltung zu charakterisieren, die die visuotaktile Integration in RL unterstützt, setzten wir virale Tracing-Techniken ein. Retrogrades Tracing bestätigte, dass RL konvergente Eingänge vom primären visuellen (V1) und somatosensorischen(S1) Kortex sowie von Thalamuskernen erhält. Quantitative Analysen zeigten, dass die höchste Dichte projizierender Somata aus V1 stammte, gefolgt von S1, mit signifikant geringeren Projektionen aus thalamischen Quellen, was die Bedeutung direkter kortiko-kortikaler Bahnen hervorhebt. Duales anterogrades Tracing lieferte wichtige Einblicke in die laminare Organisation dieser Eingänge innerhalb von RL. Wir entdeckten eine auffällige Segregation: S1-Neurone projizierten überwiegend auf oberflächliche Schichten (L1/L2/3), die Hauptempfangszone für apikale Dendriten von L2/3-Neuronen, während V1-Projektionen primär mittlere bis tiefe Schichten innervierten. Diese anatomische Anordnung bietet eine strukturelle Grundlage für die Interaktion modalitätsspezifischer Eingänge mit unterschiedlichen dendritischen Kompartimenten, was potenziell nicht-lineare Integration ermöglicht. Funktionell untersuchten wir neuronale Korrelate von MSI mithilfe von Verhaltensparadigmen in Kombination mit chronischem Calcium-Imaging. Mäuse, die auf eine visuotaktile Evidenzakkumulationsaufgabe trainiert wurden, zeigten signifikante Verhaltensvorteile während multisensorischer Durchgänge, was eine verbesserte perzeptuelle Sensitivität im Vergleich zu unisensorischen Bedingungendemonstrierte. Initiale Bildgebung auf Populationsebene mittels widefield-calcium-imaging bestätigte RL als zentralen Integrationsknotenpunkt, der während multisensorischer Durchgänge eine verstärkte, oft supra-lineare Populationsaktivität zeigte, die mit verbesserter Verhaltensleistung korrelierte. Nachfolgendes Zwei-Photonen-Calcium-Imaging mit Einzelzellauflösung während einer ähnlichen Diskriminationsaufgabe untermauerte die Rolle von RL weiter und offenbarte klarunterscheidbare Populationen von Neuronen, die auf visuelle, taktile odermultisensorische Stimuli ansprachen. Jedoch zeigte die einfache Mittelung somatischer Antworten von funktionell klassifizierten Zellen nicht immer eine klare supra-lineare Summation, was die Notwendigkeit für subzelluläre Untersuchungen und die Analyselerninduzierter Veränderungen unterstrich. Ein zentrales Ziel war es, MSI auf dendritischer Ebene zu untersuchen. Wir kombinierten erfolgreich eine Sparse-Labeling-Methode mit chronischem, simultanem Zwei-Photonen-Calcium-Imaging somatischer und apikaler dendritischer Aktivität inL2/3-Pyramidenneuronen von V1 und RL in wachen, sich verhaltenden Mäusen. Mithilfe dieses longitudinalen Imaging-Ansatzes verglichen wir neuronale Antworten während passiver sensorischer Exposition vor (naiv) und nach (trainiert) assoziativem Lernen in einer Detektionsaufgabe. Dies offenbarte stark ausgeprägte lerninduzierte neuronale Plastizität, insbesondere innerhalb von RL. Sowohl dendritische als auch somatische Antworten auf taktile und visuotaktile Stimuli wurden nach dem Training in RL dramatisch verstärkt, während Antworten in V1 und Antworten auf visuelle Stimuli weniger ausgeprägte Veränderungen zeigten. Diese Ergebnisse zur funktionellen Plastizität, insbesondere die massive Verstärkung taktiler Antworten in RL, stimmen sehr gut mit unseren anatomischen Daten überein, die dichten S1-Input zeigen, der spezifisch auf die oberflächlichen Schichten von RLprojiziert, wo sich die apikalen Dendriten von L2/3-Neuronen befinden. DieseKonvergenz legt nahe, dass assoziatives Lernen synaptische Eingänge auf diesedendritischen Kompartimente potenziert. Obwohl die vollständige Analyse derdendritischen Dynamik während aktiver Aufgabenausführung noch andauert, lieferndie aktuellen Daten substanzielle Belege für eine erfahrungsabhängige Modulation dersensorischen Verarbeitung auf sowohl somatischer als auch dendritischer Ebene.Zusammenfassend bietet diese Doktorarbeit eine vielschichtige Untersuchung, deranatomischen Grundlagen und funktionellen Implementierung von visuotaktilerIntegration und der zugehörigen Lernprozesse im parietalen Assoziationskortex derMaus. Wir demonstrierten die Konvergenz visueller und somatosensorischerSignalwege auf RL, speziell solcher, die im laminaren Bereich ankommen und durchdie RL ein strukturelles Substrat für die Integration dieser Signale bildet. Wir haben dieRolle von RL als Integrationszentrum nachgewiesen, in dem Populationsaktivität miteiner Leistungssteigerung in MSI-abhängigen Verhaltensversuchen korreliert.Vorallem konnten wir eine lerninduzierte Plastizität innerhalb von RL zeigen,charakterisiert durch eine Verstärkung taktiler und multisensorischer Antworten inL2/3-Neuronen, die wir sowohl auf somatischer als auch auf dendritischer Ebenebeobachten konnten. Durch die Etablierung von Methoden für subzelluläres Imaging inwachen Tieren, welche Verhaltenstest durchlaufen, sowie die Verknüpfunganatomischer Konnektivität mit funktioneller Plastizität unterstützt diese Arbeitnachdrücklich die Hypothese, dass die erfahrungsabhängige Modulation dendritischerIntegration innerhalb assoziativer kortikaler Areale wie RL ein Schlüsselmechanismusist, der der Fähigkeit des Gehirns zugrunde liegt, Informationen über Sinne hinwegeffektiv zu kombinieren, um Wahrnehmung und Verhalten zu steuern. ZukünftigeForschung, welche die Analyse aktiver dendritischer Verarbeitung vervollständigt undgezielte Manipulationen einsetzt, wird die Rolle von Dendriten in der Verarbeitungmultisensorischer Wahrnehmung und der zugehörigen Lernprozesse weiter aufklären.

The brain's remarkable ability to integrate information from multiple sensory modalities is known as multisensory integration (MSI). MSI is fundamental for creating a coherent perception of the world and guiding adaptive behavior. While the behavioral advantages of MSI, such as enhanced detection and discrimination, are well established, the underlying neural computations, particularly at the cellular and subcellular levels within the neocortex, remain largely unresolved. This thesis investigated the anatomical substrates and functional mechanisms of visuotactile integration in the mouse brain, focusing on the rostrolateral visual area (RL), a region implicated as a parietal association hub. We specifically examined the role of Layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons and their dendrites, hypothesizing that dendritic computations are critical for implementing MSI and are subject to modification through learning. Functionally, we investigated neural correlates of MSI using behavioral paradigms combined with chronic widefield calcium imaging. Mice trained on a visuotactile evidence accumulation task exhibited significant behavioral benefits during multisensory trials, demonstrating enhanced perceptual sensitivity compared to unisensory conditions. Initial population-level imaging using widefield calcium recordings confirmed RL as a key integration hub, displaying enhanced, often supra-linear, population activity during multisensory trials that correlated with improved behavioral performance. To delineate the circuitry supporting visuotactile integration in RL, we employed viral tracing techniques. Retrograde tracing confirmed that RL receives convergent input from primary visual (V1) and somatosensory (S1) cortices, as well as thalamic nuclei. Quantitative analysis revealed the highest density of projecting somata originated fromV1, followed by S1, with significantly lower densities from thalamic sources, highlighting the importance of direct cortico-cortical pathways. Dual anterograde tracing provided crucial insights into the laminar organization of these inputs within RL. We discovered a striking segregation: S1 projections predominantly targeted superficial layers (L1/L2/3), the principal receiving zone for apical dendrites of L2/3neurons, while V1 projections primarily innervated mid-to-deep layers. This anatomical arrangement provides a compelling structural basis for modality-specific inputs interacting with distinct dendritic compartments, potentially enabling non-linear integration. Subsequent 2-Photon calcium imaging at single-cell resolution during a similar discrimination task further substantiated RL's role, revealing distinct populations of neurons responsive to visual, tactile, or multisensory stimuli. However, simple averaging of somatic responses from functionally classified cells did not always reveal clear supra-linear summation, highlighting the need for subcellular investigation and analysis of learning-induced changes. A central aim was to probe MSI at the dendritic level. We successfully established methodologies combining sparse neuronal labeling with chronic, simultaneous 2-Photon calcium imaging of somatic and apical dendritic activity in L2/3 pyramidal neurons of V1 and RL in awake, behaving mice. Using this longitudinal imaging approach, we compared neuronal responses during passive sensory exposure before (naive) and after (trained) associative learning in a detection task. This revealed profound learning-induced plasticity, particularly within RL. Both dendritic and somatic responses to tactile and visuotactile stimuli were dramatically amplified in RL following training, while responses in V1 and responses to visual stimuli showed less pronounced changes. These functional plasticity findings, particularly the strong enhancement of tactile responses in RL, align remarkably well with our anatomical data showing dense S1input specifically targeting the superficial layers of RL where the apical dendrites ofL2/3 neurons reside. This convergence strongly suggests that associative learning potentiates synaptic inputs onto these dendritic compartments. While the complete analysis of dendritic dynamics during active task performance is ongoing, the current data provide substantial evidence for experience-dependent modulation of sensory processing at both somatic and dendritic levels. In conclusion, this thesis provides a multiscale investigation into the anatomical basis and functional implementation of visuotactile integration and learning in the mouse parietal association cortex. We demonstrated the convergence of visual and somatosensory pathways onto RL with distinct laminar targeting, providing a structuralsubstrate for integration. We confirmed RL's role as an integration hub wherepopulation activity correlates with better performance in MSI-dependent behavioraltasks. Most critically, we revealed profound learning-induced plasticity within RL,characterized by a dramatic amplification of tactile and multisensory responses in L2/3neurons, observable at both the somatic and dendritic levels. By establishing methodsfor subcellular imaging in behaving animals and linking anatomical connectivity withfunctional plasticity, this work strongly supports the hypothesis that experience-dependent modulation of dendritic integration within associative cortical areas like RLis a key mechanism underlying the brain's ability to effectively combine informationacross senses to guide perception and behavior. Future research completing the analysisof active dendritic processing and employing targeted manipulations will furtherelucidate the precise computational roles of dendrites in multisensory perception andlearning.

OpenAccess:
PDF
(additional files)