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Michael Reid

• Neurons in the medial geniculate body (MGB) have the complex task of processing the auditory ascending information from the periphery and a more extensive descending input from the cortex. Differences in the pattern of afferent and efferent neuronal connections suggest that neurons in the ventral and dorsal divisions of the MGB take different roles in this complex task. The ventral MGB (vMGB) is the primary, tonotopic, division and the dorsal MGB (dMGB) is one of the higher order, nontonotopic divisions. The vMGB neurons are arranged tonotopically, have sharp tuning properties, and a short response delay to acoustic stimuli. The dMGB neurons are not tonotopically arranged, have broad tuning properties, and a long response delay to acoustical stimuli. These two populations of neurons, with inherently different tasks, may display differences in intrinsic physiological properties, e.g. the capacity to integrate information on a single cell level. Neurons of the ventral and dorsal divisions of the MGB offer an ideal system to explore and compare the intrinsic neuronal properties related to auditory processing. Coronal slices of 200 &#956;m thicknesses were prepared from the thalamus of 4 - 5 week old gerbils. The current-clamp configuration of the patch-clamp technique was used to do experiments on the dorsal and ventral divisions of the medial geniculate body. Slices were subsequently Nissl stained to verify the location of recording. Recordings from the dorsal and ventral divisions exhibited differences in response to depolarizing current injections. The ventral division responded with significantly shorter first spike latency (vMGB = 41.50 ± 7.7, dMGB = 128.43 ± 16.28; (p < 0.01)) and rise time constant (vMGB = 6.95 ± 0.90, dMGB = 116.67 ± 0.13; (p < 0.01)) than the dMGB. Neurons in the dorsal division possessed a larger proportion of slowly accommodating neurons (rapidly accommodating: vMGB: 89%, dMGB: 64%), including a subpopulation of neurons that fired at resting membrane potential. Neurons in the vMGB are primarily responsible for relaying primary auditory input. Dorsal MGB neurons relay converging multimodal input. A comparative analysis with the primary auditory neurons, the Type I and Type II spiral ganglion neurons, reveals a similar pattern. Type I neurons relay primary auditory input and exhibit short first spike latencies and rise time constants. The Type II neurons relay converging input from many sources, while possessing significantly slower response properties and a greater subpopulation of slowly accommodating neurons. Hence, accommodation, first spike latency, and rise time constant are suggested to be a reflection of the amount of input that must be integrated before an action potential can be fired. More converging input correlates to slower accommodation, a longer first spike latency and rise time. Conversely, a greater capacity to derive discrete input is associated with rapid accommodation, along with a short first spike latency and rise time.
• Der Nucleus geniculatum mediale (MGB, medial geniculate body) ist in der aufsteigenden Hörbahn der Säuger die Umschaltstation auf der Ebene des Diencephalon (Zwischenhirn), nach den Kerngebieten Ganglion ciliare (dessen Fasern den Hörnerven bilden), dem Nucleus cochlearis, dem oberen Olivenkomplexes, dem Colliculus inferior und dem Lemniscus laterale. Vom MGB aus wird die Erregung zu den auditorischen Arealen des Cortex cerebri (Hörkortex) weitergeleitet. Der MGB ist aber Teil der absteigenden Hörbahn. Er erhält direkte Eingänge vom Hörkortex und hat selbst Afferenzen zum Colliculus inferior. Diese absteigende Hörbahn reicht über den Olivenkomplex bis einer Innervation des Innenohrs, wo die Erregung der (äußeren Haarsinneszellen) beeinflusst werden kann. Der MGB ist damit sehr wahrscheinlich in unterschiedliche funktionelle Verarbeitungsschritte eingebunden. Die Einbindung in mehrere Funktionen deutet sich auch in der internen Struktur des MGB an. Der ventrale Bereich des MGB (vMGB) ist tonotop organisiert, d.h. enthält eine systematische Frequenzanordnung, und ist ein Teil der primären Hörbahn. Neurone im vMGB sind damit Teil einer systematischen Frequenzrepräsentation, haben meist eine schmale Frequenzabstimmung und zeigen eine kurze Antwortlatenz bei akustischer Reizung. Der dorsale Bereich des MGB (vMGB) ist eine dagegen nicht tonotop organisierte Struktur, die sehr wahrscheinlich abgeleitete Funktionen bei der Hörverarbeitung hat, wie zum Beispiel die Integration der Hörinformation mit anderen Sinnessystemen. Neurone im dMGB sind nicht Teil einer systematischen Frequenzabbildung, haben meist eine breite Frequenzabstimmung und zeigen lange Antwortlatenzen bei der Reizung mit Reintönen (Calford & Webster 1981, Webster 1983). Neuronen aus dem dMGB und dem vMGB, die jeweils an unterschiedlichen Verarbeitungsschritten im neuronalen Verbund beteiligt sind, zeigen möglicherweise auch Unterschiede in ihren elektrophysiologischen Eigenschaften als Einzelneurone. Dies könnte wesentlich zu Unterschieden in der Verarbeitung beitragen. Solche Unterschiede können bei grundlegenden neuronalen Eigenschaften wie Ruhemembranpotenzial, Erregungsschwelle oder Antwortlatenz vorhanden sein. Solche Unterschiede sind zum Beispiel zwischen den Typ I- und Typ II- Neuronen des Ganglion ciliare zu finden (Reid et al. 2004). Es können aber auch abgeleitete Eigenschaften sein, wie z.B. den Fähigkeiten Erregung räumlich oder zeitlich zu integrieren. Der Vergleich der Neurone aus vMGB und dMGB eignet sich gut um mögliche Unterschiede in den intrinsischen elektrophysiologischen Eigenschaften der Nervenzellen mit unterschiedlichen Aufgaben bei der Hörverarbeitung zu korrelieren. Deshalb wurde dieser Vergleich zum zentralen Thema der vorliegenden Arbeit gemacht. Für die Untersuchungen wurden lebende, frontal orientierte Hirnschnitte (200 &#956;m Dicke) des Thalamus von 4 bis 5 Wochen alten Wüstenrennmäusen präpariert. Mit der patch clamp-Technik wurde elektrophysiologisch Potenziale von Neuronen des dorsalen und ventralen Bereichs des MGB abgeleitet. Es wurden sowohl die Reaktionen der Zellen auf hyper- als auch depolarisierende Strominjektion untersucht. Die dabei notwendigen Parameter für einen gute physiologischen Zustand der Hirnschnitte und eine stabile patchclamp-Ableitung wurden in umfangreichen Vorversuchen ermittelt. Bereits in der Ableitapparatur war eine genaue Positionierung der Elektrode im dMGB oder vMGB unter optischer Kontrolle möglich. Zusätzlich wurden nach erfolgreicher Ableitung die Hirnschnitte fixiert, gegen Nissl gefärbt und zur Bestätigung der Ableitposition lichtmikroskopisch untersucht. Insgesamt wurden 73 Neurone (vMGB: 34 Neurone, dMGB: 39 Neurone) vollständig untersucht. Deren Ruhepotenzial lag zwischen -79 mV und -45 mV. Dabei gab es keine Unterschiede zwischen vMGB-Neuronen und dMGB-Neuronen (vMGB: 62.9 mV; dMGB: 60.1 mV; Abb. 3.2). Wurden die Neurone vom Ruhepotenzial aus durch zunehmende Strominjektion überschwellig depolarisiert, dann antworteten sie mit einer zunehmenden Anzahl von Aktionspotenzialen (Abb. 3.1). Diese wurden bei zunehmender Reizstärke in immer schnellerer Folge und mit immer kürzerer Latenz ausgelöst wurden. Allerdings gab es ein Potenzialniveau (zwischen -35 mV und -25 mV) bei dem eine maximale Feuerrate erreicht wurde. Bei noch höherer Depolarisation blieb diese maximale Feuerrate gleich oder nahm wieder ab. Bei Stimulation von einem hyperpolarisierten Haltepotenzial aus (z.B. -90 mV) kam es zusätzlich zu Beginn der Antwort zu einem kleinen initialen Gipfel, dem eine schnelle Repolarisation (durch offensichtlichen Einstrom) folgte (Abb. 3.0). Nach deren Abklingen kam es zum Potenzialanstieg mit einer schnellen Folge von Aktionspotenzialen. Die Feuerschwellen zum Auslösen von Aktionspotenzialen im MGB lagen zwischen -54 mV und -32 mV. Die mittleren Schwellenwerte im vMGB (42.9 mV) und dMGB (44.3 mV) waren nicht signifikant verschieden. Die Dauer der an der Schwelle ausgelösten Aktionspotenziale wurde bei halber Höhe gemessen und vergleichen. Auch dieser Wert war im Mittel zwischen vMGB (2.04 ms) und dMGB (1.95 ms) nicht verschieden. Diese Werte änderten sich bei höherer Stimulation kaum. Außerdem wurden der Membranwiderstand (d.h. der "Eingangswiderstand") der Neurone bei Potenzialen um das Ruhepotenzial ("niedriges Potenzial") und bei Potenzialen oberhalb der Feuerschwelle ("hohes Potenzial") gemessen. Die Membranwiderstände in beiden Bereichen des MGB waren im Mittel bei niedrigem Potenzial deutliche höher (vMGB: 307.0 M&#937;; dMGB: 237.5 M&#937;) als bei hohem Potenzial (vMGB: 61.0 M&#937;; dMGB: 64.2 M&#937;) und in beiden Zuständen zwischen vMGB und dMGB nicht signifikant unterschiedlich.....