Titelaufnahme

Titel
The spatiotemporal organisation of GABAergic interneurons during dynamic network oscillations and spatial navigation in the rodent hippocampus / submitted by Thomas Forro
VerfasserForro, Thomas
Begutachter / BegutachterinThomas Klausbeger
Erschienen2015
UmfangXI, 84 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Hippocampus / GABAerge Interneurone / Netzwerk-oszillationen / virtuelle Umgebung
Schlagwörter (EN)hippocampus / GABAergic interneurons / network oscillations / virtual environment
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-5909 Persistent Identifier (URN)
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The spatiotemporal organisation of GABAergic interneurons during dynamic network oscillations and spatial navigation in the rodent hippocampus [21.13 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Hippocampus ist ein Gehirnareal, das eine wichtige Rolle in der Kodierung des episodischen und des räumlichen Gedächtnisses spielt.

Die genauen Interaktionen zwischen den Neuronen, die diese Kodierung ermöglichen, sind jedoch unbekannt. In der Großhirnrinde, zu der auch der Hippocampus gehört, gibt es zwei Hauptklassen von Neuronen:

Exzitatorischen Pyramidenzellen und inhibitorischen GABAergen Interneurone. Die Aktivität der Pyramidenzellen korreliert mit kognitiven Prozessen wie zum Beispiel der Kodierung einer Umgebung:

Pyramidenzellen im Hippocampus können zu "place cells" (Ortszellen) werden und feuern nur an einem bestimmten Ort in einer Umgebung und repräsentieren so eine kognitive Karte und ein räumliches Gedächtnis dieser Umgebung. Der Hippocampus ist ein evolutionär stark konserviertes Gehirnareal in Säugetieren und das CA1-Feld ist das Hauptausgabeareal darin. Mehr als 20 unterschiedliche GABAerge Interneurontypen wurden im CA1 Hippocampus des Nagerhirns beschrieben. Diese Interneurontypen nehmen unterschiedliche räumliche und zeitliche Bereiche ein, in denen sie die Aktivität von Pyramidenzellen während Netzwerkoszillationen modulieren. Netzwerkoszillationen reflektieren synchrone Gehirnaktivität. Zwei bedeutende Oszillationen im Hippocampus sind die Theta-Oszillationen (5-12 Hz) und die Sharp-wave-assoziierten Ripple-Oszillationen (SWR, 120-250 Hz). Theta-Oszillationen sind zum Beispiel dann vorhanden, wenn das Tier läuft, eine Gegend erkundet oder während des REM Schlafes. SWR Oszillationen treten auf während das Tier ruht oder schläft. Die Neuronenaktivität während dieser Oszillationen stehen im Zusammenhang mit der Gedächtniskonsolidierung. Der CA1 Hippocampus ist entlang seiner septotemoralen Achse in einen dorsalen, intermediären und ventralen CA1 Hippocampus organisiert (dCA1, iCA1 und vCA1). Während dCA1 hauptsächlich visuelle und räumliche Informationen verarbeitet erhalten iCA1 und vCA1 mehr nicht-räumliche Informationen, zum Bespiel über Gerüche. iCA1 und vCA1 sind direkt mit dem präfrontalen Kortex verbunden. Man vermutet, dass iCA1 unterschiedliche Informationen im Hippocampus integriert und mit dem Verhalten verbindet. Ihm kommt somit eine besondere Rolle zu. Eine besondere Dynamik entlang der septotemoralen Achse ist, dass Theta-Oszillationen von dCA1 zu vCA1 wandern.

In dem ersten Projekt, das als publizierter Artikel in dieser Doktorarbeit enthalten ist, haben wir GABAerge Interneurontypen in iCA1 bestimmt und erforscht, wie sie zur zeitlichen und räumlichen Organisation der Neuronenaktivität während der wandernden Thetawelle beitragen. Weiterhin analysierten wir die Dynamik von SWR zwischen den dCA1 und iCA1 und der Aktivität von Interneuronen während dieser Ereignisse. Für dies haben wir die ix juxtazelluläre Ableitungs- und Markierungstechnik benutzt mit der wir einzelne Neurone zusammen mit der Netzwerkaktivität in dCA1 und iCA1 in anästhesierten Ratten ableiten konnten. Die Markierung der Zellen erlaubte uns die spätere Identifikation. Wir identifizierten Parvalbumin exprimierende (PV+) Korbzellen, Axo-axonische Zellen und O-LM Zellen in iCA1. Mit unserer Studie zeigen wir, dass die unterschiedliche zeitliche Organisation dieser Zelltypen eng mit den wanderenden Theta-Oszillationen verbunden ist. Das lässt vermuten, dass die gesamte neuronal Aktivität, inhibitorische wie exzitatorische, vom dCA1 zum iCA1 wandert. Sie behält jedoch ihre fundamentale Organisation während der Theta-Oszillationen und zwar mit der aufeinanderfolgender Aktivierung von Zelltypen bei: Zuerst feuern die Axo-axonischen Zellen, dann die PV+ Korbzellen und dann die O-LM Zellen zusammen mit den Pyramidenzellen.

SWR-Oszillationen sind jedoch oft synchron zwischen den dCA1 und iCA1, obwohl sie auch nur lokal auftreten können. Wir haben gezeigt, wie unterschiedliche GABAerge Zelltypen mit der Pyramidenzellaktivität während dynamischer Prozesse interagieren und dadurch möglicherwiese zu wichtigen Integrationsprozessen während der Gedächtniskonsolidierung beitragen.

Im zweiten, noch laufenden Projekt wollen wir den Beitrag der GABAergen Interneurontypen in CA1 Hippocampus während des Verhaltens der Tiere erforschen. Dafür benutzen wir ein virtuelles System, in dem kopffixierte Mäuse eine räumliche Aufgabe mit einem Geruchssignal in einer virtuellen Umgebung lösen müssen. Die Neuronenaktivität wird dabei entweder mit Silikonelektroden oder mit der juxtazellulären Methode in Echtzeit abgeleitet. Da es vermutet wird, dass iCA1 eine besondere integrative Rolle hat und Geruchinformation verarbeitet, versuchen wir in iCA1 abzuleiten. Bisher lassen die Ergebnisse der Silikonelektrodenmessung vermuten, dass unidentifizierte Pyramidenzellen und Interneurone den Geruch in eine räumliche Kodierung integrieren. Die Ergebnisse der juxtazellulären Experimente beinhalten eine Bistratified Zelle in iCA1 und eine Axo-axonische Zelle in iCA3. Aus den Die Ergebnisse kann geschlossen werden, dass die Aktivität dieser Zellen von der kognitiven Beanspruchung in den unterschiedlichen Bereichen der virtuellen Umgebung moduliert wird und dass die Aktivität der bistratified Zelle auch von der Verarbeitung des Geruchssignals beeinflusst wird. Diese ersten Ergebnisse könnten darauf hindeuten, dass Populationen von unterschiedlichen Interneuron-Zelltypen die kontext- und verhaltensabhängige Aktivierung von Pyramidenzellen modulieren und daher direkt auf die Kodierung kognitiver Prozesse einwirken.

Zusammenfassung (Englisch)

The hippocampus is a brain area that plays an important role in the encoding of episodic and spatial memories. But the precise interactions between neurons that give rise to this encoding are not well understood. In the cerebral cortex, to which also the hippocampus belongs, two main classes of neuron can be found: the glutamatergic pyramidal and GABAergic interneurons. The activity of pyramidal cells correlates with cognitive processes such as the encoding of an environment. Pyramidal cells in the hippocampus can become place cells, meaning they fire only in a specific location of an environment and thereby form a cognitive map and spatial memory of the environment. The hippocampus is a highly conserved brain area in mammals and the CA1 subfield represents the output area of the hippocampus. More than 20 different GABAergic interneuron types have been described in the rodent dorsal CA1 hippocampus and have been shown to occupy distinct spatiotemporal compartments modulating the activity of pyramidal cells during local field potential (LFP) network oscillations. Network oscillations reflect synchronous brain activity; in the hippocampus theta (5-12 Hz) and sharp-wave associated ripple (SWR, 120-250 Hz) oscillations are prominent. Theta oscillations are present when the animal is running, exploring an environment or during REM sleep. SWR oscillations occur during resting and sleep and neural activity during these events is related to memory consolidation processes. The CA1 hippocampus is organized along the septotemporal axis into a dorsal, intermediate and ventral CA1 (dCA1, iCA1 and vCA1, respectively). While the dCA1 processes mostly visual spatial information, the iCA1 and vCA1 receive in addition also non-spatial sensory information such as strong odour related input. The iCA1 and vCA1 also directly project to prefrontal cortex and it has been suggested that iCA1 is in a unique position to integrate information in the hippocampus and linking it to behaviour. A prominent network dynamic along the septotemporal axis is the travelling of theta oscillations from the dCA1 to the vCA1.

In the first project of my thesis, included here as the published article, we investigated the GABAergic interneuron types in the iCA1 and how they are involved in the spatiotemporal organization of the travelling theta waves. We further analysed the dynamics of SWR oscialltions across dCA1 and iCA1 hippocampus and the associated activity patterns of iCA1 interneurons. We used the juxtacellular recording and labelling technique to record from single neurons together with dCA1 and iCA1 LFP in anesthetized rats. The labelling of the recorded neurons enabled the post hoc identification. We identified parvalbumin expressing (PV+) basket, axo-axonic and O-LM cells in the iCA1. In our study we showed that the distinct temporal organization of these neuron types is linked to travelling theta oscillations.

vii This suggests that inhibitory and excitatory neuronal activity travels from dCA1 to iCA1, but within each location fundamental organization principles during theta oscillations are retained with sequential activation of first axo-axonic cells, then PV+ basket cells and then O-LM and pyramidal cells. In contrast, during SWR oscillations the activity of dCA1 and iCA1 is often synchronized but can also be local.

We showed how different GABAergic interneurons are interacting with pyramidal cell activity during dynamic operations which might underlie important integration processes encoding memory.

In the second ongoing project I aim to investigate the contribution of GABAergic interneuron types in the CA1 hippocampus during behaviour. For this I use a virtual reality system in which head-fixed mice perform an odour-cued spatial task in a virtual maze and can be recorded from at the same time with silicon probes or the juxtacellular method. Because of its suggested integrative role and stronger odour input, recordings are performed in the iCA1. Silicon probe recordings suggest that putative pyramidal cells integrate the odour stimulus into a spatial representation of the maze and different interneurons also respond specifically to the odour. With the juxtacellular experiments a bistratified cell in the iCA1 and an axo-axonic cell in the iCA3 have been recorded. The activity of these cells might be modulated by the changing cognitive load in the different parts of the virtual maze and, for the bistratified cell, also by the presence or absence of the odour processing. These results suggest that populations of different interneuron types might modulate the behaviour relevant contextual activation of pyramidal cells in space and might therefore be directly involved in the encoding of spatial memory.