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Bibliographic Metadata

Title
Neuronal firing patterns of the rat prelimbic cortex during goal-directed behaviour / submitted by Hugo Alfonso Malagon Vina
Additional Titles
Neuronale Aktivitätsmuster im prälimbischen Cortex der Ratte während zielgerichtetem Verhalten
AuthorMalagon Vina, Hugo Alfonso
Thesis advisorKlausberger, Thomas
Published2017
Descriptionxiii, 120 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2017
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionJune 2017
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)präfrontaler Cortex / kognitive Flexibilität / neuronale Aktivität / zielgerichtetes Verhalten / neuronale Populationen / ventraler Hippocampus / Pyramidenzelle / Interneuron
Keywords (EN)Prefrontal Cortex / Cognitive flexibity / Neuronal activity / Neuronal population / Goald-Directed behaviour / Ventral hippocampus / Pyramidal neurons / Interneurons
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-14402 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Neuronal firing patterns of the rat prelimbic cortex during goal-directed behaviour [31.86 mb]
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Classification
Abstract (German)

Der präfrontale Cortex ist hochgradig verschaltet und fungiert als eine Einheit, die eintreffende Informationen bündelt und diese mit bestehenden Informationen verknüpft sowie Handlungen einleitet. Zu den wichtigsten Aufgaben des präfrontalen Cortex gehören u.a. die Evaluierung von eintreffenden Stimuli, die Verarbeitung von Informationen resultierend aus Belohnungen, und die Berechnung von Vorhersagen.

Ziel meines Projektes war es, die neuronale Aktivität des vorderen cingulären Cortex sowie des prälimbischen Cortex im Zusammenhang mit kognitiver Flexibilität zu beschreiben. Hierfür wählte ich einen „Plus-Maze“. In meinem Verhaltensexperiment mussten die Tiere lernen, strategisch flexibel zu handeln. Um den situationsbedingten Anforderungen zu entsprechen, konnten sie frei aus vier gelernten Regeln wählen. Zwei der Regeln basierten auf allozentrischer Orientierung anhand von räumlichen Referenzpunkten, zwei weitere auf egozentrischer Orientierung (Eigenreferenz). Die neuronale Aktivität wurde von Tetroden aufgenommen. Diese ermöglichen das spezifische Einfangen mehrerer neuronaler Signale. Wir entdeckten zwei zueinander komplementäre neuronale Populationen, deren Aktivitätsprofile mit der Performance der Ratten korrelierten. Ihre Aktivität blieb stabil, auch während das Versuchstier zwischen den gelernten Verhaltensregeln aktiv hin und her wechselte. Weiters war es uns möglich, Vorhersagen über den Testerfolg der Tiere zu berechnen. Hervorzuheben ist, dass simultan feuernde Neuronen, sobald das Folgen einer neuen Regel abverlangt wurde, in einen gänzlich neuen Aktivitätszustand übergingen, unabhängig davon, ob diese Regel in der Session schon einmal angefordert worden war oder nicht. Daraus ergibt sich, dass Neuronen des präfrontalen Cortex in ihrer Aktivität sowohl Testerfolg als auch Strategiewechsel repräsentieren, jedoch keinesfalls in ihrer Aktivität einer bestimmten Regel zugeordnet werden können.

Weiters habe ich zu zwei Nebenprojekten einen Beitrag leisten dürfen. Ersteres bediente sich der Juxta-zellulären Messmethode an freilaufenden Ratten und untersuchte GABAerge Neuronen (parvalbumin-positive Korb-Zellen). In dieser Studie wurde das Paradigma des Kurzzeitgedächtnisses und belohnungsgeleiteten Verhaltens unter die Lupe genommen. Die Ergebnisse konnten zeigen, dass Korb-Zellen nicht homogen feuerten, sondern sich den Anforderungen der Aufgabe je nach Task-Episode anpassten. Bemerkenswerterweise repräsentieren Basket-Zellen im präfrontalen Cortex sowohl sequenz- als auch entscheidungsabhängige Informationen des Kurzzeitgedächtnisses. Daraus lässt sich schließen, dass Neuronen, welche einem identifizierbaren Zelltypen angehören, sich dennoch zu funktionalen Gruppen neu zusammenschließen können.

Das zweite Projekt befasste sich mit der Aufnahme von neuronaler Aktivität des ventralen Hippocampus, und dessen Projektionen zu den mit ihm verbundenen Regionen Amygdala, Nucleus accumbens und dem präfrontalen Cortex. Die Haupterkenntnis lag in der Beobachtung, dass der ventrale Hippocampus nur sehr selektiv Informationen an andere Regionen weitergibt. Im Falle des präfrontalen Cortex handelte es sich um direkte Projektionen vom ventralen Hippocampus, welche ausschließlich ängstliche Unruhe codierten. Informationen für zielgerichtetes Verhalten hingegen wurde vom ventralen Hippocampus über den Nucleus accumbens in den präfrontalen Cortex geleitet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jene genannten Erkenntnisse einen wichtigen Beitrag zur Verdeutlichung der Wichtigkeit des präfrontalen Cortex in seiner Funktion leisten konnten. Er erhält nicht nur wichtige selektive Informationen anderer Hirnareale zur Weiterverarbeitung, sondern beweist auch höchste kognitive Flexibilität, wie sich durch die Codierung verschiedenster Verhaltensregeln (Problemlösungswege)sowie durch die multifunktionale Rekrutierung von parvalbumin-positiver Basket-Zellen zeigen ließ.

Abstract (English)

The prefrontal cortex is highly interconnected and it functions as a powerful integrative unit and an executive area. Stimulus evaluation, reward encoding, outcome prediction, decision confidence and memory are some of the most important processes performed by the prefrontal cortex. Therefore, to study this brain region, I combined advanced recording techniques with adequate behavioural tasks. My main project aimed to record the activity of neurons in the anterior cingulate and prelimbic cortex, and determine the neuronal firing patterns related to cognitive flexibility. I used a plus-maze in which rats learnt to change strategies multiple times during the same recording session while following one of four possible rules. Two of those rules were based on allocentric strategies (landmark oriented) and the other two were based on egocentric strategies (self-referenced). Neuronal activity was recorded using tetrodes, which allow me to define the single-unit activity of several neurons, recorded at the same time. We found that two complementary populations of neurons did not only present firing rates correlated with the performance, but such correlation was also stable during multiple rule changes. Moreover, it was possible to predict the task performance by using the firing rates of simultaneously recorded neurons. Interestingly, simultaneously recorded neurons were shifting to a completely new state every time a rule was learnt, even when one of the rules was already previously presented during the same day. This indicates that neuronal firing rate of prefrontal cortex neurons reflect both task performance and change of strategy, but it does not represent specific rules permanently.

In addition, I contributed to other two projects presented in this thesis. In one, juxtacellular recordings in freely moving rats were used to define the contribution of a type of GABAergic neurons (parvalbumin-positive basket cells) in a paradigm involving working memory and reward-guided behaviour. As a result, it was found that basket cells are not firing homogenously, but were rather recruited differentially during the defined task episodes. Interestingly, the sequential actions and choice related behaviour were distinguished by a subset of principal neurons and parvalbumin-positive basket cells. This implies that even when neurons belong to the same subpopulation, their distinct firing patterns are participating in different neuronal assemblies in order to encode complex behaviours. The second contribution was in a project using tetrode recordings and optogenetics techniques in order to define not only the activity of neurons in the ventral hippocampus but also the information carried by projecting neurons from the ventral hippocampus to the amygdala, nucleus accumbens, and prefrontal cortex. As the main finding, we discovered that information from the ventral hippocampus is sent selectively to other areas. In the case of the prefrontal cortex, it was receiving direct and unique projections encoding anxiety. Goal-directed behaviour was also sent to the prefrontal cortex, but via projections also passing through nucleus accumbens.

Altogether, these findings contribute to elucidate not only the selective input of information from another brain area but also the role of the prefrontal cortex in cognitive flexibility by showing the neuronal population encoding of multiple rules and the multipurpose role of parvalbumin-positive basket cells in several episodes of decision-making paradigms

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