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Humans and other primates are highly visual animals. Our daily visual activities such as recognizing familiar faces, interacting with objects, or reading, are supported by an extensive system of interacting brain areas. The interactions between the many individual nerve cells both within and between brain areas need to be coordinated. One possible solution to achieve flexible coordination between cells in the network is rhythmic activity, or oscillations. The focus of the thesis will be activity in the largest visual area, V1, in non-human primates. In V1, high-frequency activity, so-called gamma-band activity (“gamma”, ca. 30-90 Hz) can be frequently observed and has been suggested to play a role in coordinating activity in the visual system. In Chapter 1, the coordination problem, the primate visual system and gamma-band oscillations are introduced in detail. The following chapters explore the dependence of gamma on contextual influences. Does V1 use contextual information to optimize co-ordination? In the first part, the short-term consequences of repeated encounters with visual stimuli on V1 responses are explored (Chapters 2 and 3). Inspired by results from colored, naturalistic images in the first part, the second part tests the dependence of gamma on spatial and chromatic stimulus aspects (Chapters 4 and 5).
Stimulus repetition is a simple yet powerful way to tap into our brains’ ability to learn and adapt to our environment. Repeated presentation of a visual stimulus tends to decrease responses to this stimulus. Is this accompanied by changes in the coordination of brain activity? In Chapter 2, the stimulus-specificity of repetition effects on gamma was tested using naturalistic stimuli. V1 is most typically studied using black-and-white, artificial stimuli that are very familiar to the animals. Here, colored natural images were repeatedly presented that were initially novel to the animals, to provide a wider and more naturalistic range of stimulation. Both multi-unit spiking activity (MUA) and gamma showed stimulus-specific repetition effects. MUA responses de-creased most strongly for initial repetitions and less for later repetitions. In contrast, gamma could increase or decrease for initial repetitions, but tended to increase for later repetitions. This points to the operation of multiple plasticity mechanisms. One process may rapidly decrease MUA and gamma and be related to initial novelty or adaptation. The other increases gamma, is active for more repetitions, and could constitute a form of refinement of coordination over time. Moreover, based on the spacing of stimulus repetitions, stimulus memory in V1 persisted for tens of seconds.
In the following Chapter 3, the stimulus location specificity and persistence of the repetition effects for longer timescales were tested. To this end, the observation that the increase in gamma with repetition was strongest for the first tens of repetitions was used to test for location specificity and memory. Using simple artificial stimuli that were repeated many times at two alternating locations, both location specificity and memory on the order of minutes was observed. Due to the structure of the primate visual system, location specificity suggests that the repetition effects involve early to mid-level visual areas such as V1. Memory for previous stimulus presentations on the order of minutes has not been previously reported for V1 gamma. Taken together, these experiments demonstrate short-term plasticity of gamma that is stimulus- and location specific and persists on the timescale of minutes.
In Chapter 2, the average gamma-band response to the large, naturalistic stimuli was highly stimulus dependent. Relative increases in gamma-band activity scaled between tens and thousands of percent change depending on the stimulus. Particularly the color of the stimuli appeared to play a strong role, although the stimulus set was too limited and uncontrolled to draw strong conclusions. In Chapters 4 and 5, underlying mechanisms for the stimulus specificity of gamma were explored using more well-controlled, artificial stimuli that varied in color and spatial structure.
Much of vision relies on the analysis of spatial structure. Each nerve cell in V1 only responds to visual stimuli in a particular, small part of the visual field, its so-called “receptive field” (RF). Compared to isolated RF stimulation, nearby cells that are stimulated by a similar structure from different parts of visual space can show response decreases, commonly known as “surround suppression”, and may show coordinated activity in the gamma band. In Chapter 3, responses to large, uniformly colored disks are contrasted with responses to black or white (achromatic) disks. A first experiment showed that gamma-band responses were stronger for colored than achromatic stimuli, whereas MUA responses could decrease below baseline for colored stimuli. To test whether these phenomena were related to surround suppression, stimulus size was manipulated in a second experiment. When stimuli were of sufficient size to induce surround suppression, clear gamma-band responses emerged. Surround suppression and gamma were stronger for chromatic stimuli. However, the change of stimulus size could have changed not only surround suppression but also stimulus saliency. Therefore, in a third experiment, the overall size of the stimulus was kept constant, and the spatial structure of the stimulus was manipulated. In comparison to uniform, predictable stimulus structure, mismatches between the center of the stimulus and the surrounding visual space led to strong increases in MUA responses and strong de-creases in gamma-band activity. These effects were restricted to the recording sites with RFs at the mismatch location. These experiments underpin the strong role of both spatial structure and color for gamma in V1.
In Chapter 4, responses to different color hues are studied in more detail. Gamma response strength depended on hue, being strongest for red compared to blue and green stimuli when measured with a gray background. To better understand the underlying mechanisms of the differential responses, the spatio-temporal context in the form of the background color was manipulated. Background color had a strong influence on gamma strength. Using differently colored backgrounds, different parts of the color signaling pathways could be adapted. Response differences to different color hues could be explained well with a model that incorporates differences in adaptation between pathways involving long- compared to medium-wavelength cone signals.
Taken together, these experiments indicate a strong role of both spatial context (stimulus size and structure) and temporal context and drive (repetition, adaptation) for the generation of gamma-band activity in V1. Functional implications of these dependencies are considered in the final Chapter 6, and a role for gamma-band syn-chronization in a coding regime for visual inputs that generate strong drive and high predictability is suggested.
The objectives of this thesis were to understand how distinct classes of cell types interact to shape oscillatory activity in cortical circuits of the turtle. We chose the turtle cortex as a model system for cortical computations for two reasons. One is that the phylogenetic position of turtles makes their cortex functionally and anatomically particularly interesting. The second is that reptilian brains present several unique experimental advantages. Turtles have a three-layered cortex that forms the dorsalmost part of their pallium and receives direct input from visual thalamus. Thus turtle cortex, while sharing several features with mammalian cortices, constitutes a simpler system for studying cortical computations and dynamics. Freshwater turtles are semiaquatic species, that dive for hours and hibernate for months without breathing. Their brains are adapted to these behaviors so that they can operate under severe anoxia. This property allows for ex vivo wholebrain and whole-cortex (”cortical slab”) preparations in vitro, enabling the use of many sophisticated techniques for monitoring activity in parallel.
I thus set out to utilize the advantages of our model system, by using optogenetic methods to reliably evoke oscillations in an ex vivo whole-cortex preparation while observing activity in parallel with planar multi-electrode arrays (MEA), linear silicon depth-electrodes and patch-clamp recording techniques. This required several technical aspects to be solved. Prior work in turtle cortex (Prechtl, 1994; Prechtl et al., 1997; Senseman and Robbins, 2002) indicated that visual stimuli evoke complex activity patterns (e. g. wave patterns) in dorsal cortex. The goal was to examine these dynamics in detail and to provide mechanistic explanations for them whenever possible. The recent advent of optogenetics, the development of microelectrode arrays, and the possibility to combine these techniques with classical electrophysiological approaches on a resistant, accessible and stable preparation led me to explore a number of technical avenues.
First I had to establish gene delivery methods in reptiles. I settled on recombinant viruses, and show results from several serotypes of adeno-associated virus (AAV), i lentivirus and rabies virus. I report successful gene expression of genes of interest with several subtypes of AAV, including the commonly used AAV2/1 and AAV2/5 serotypes. Second I had to find promoters enabling global and cell-type specific gene expression in reptiles. Ubiquitous high-yield promoters such as CAG/CB7 or CMV drive high levels of expression in turtles; cell-type specific promoters such as hSyn (expression limited to neurons) and CaMKIIa (expression limited exclusively o mostly to excitatory neurons) appear similarly biased in turtles. Other cell-type specific promoters reported in the literature (fNPY, fPV, fSST) failed to express in turtles.
A second major aspect of my work focused on electrophysiological recordings using microelectrode arrays and the interpretation of extracellular signals recorded from cortex in ex vivo preparations. We observed that spike signals produced by pyramidal and inhibitory neurons were very often followed by a slower potential. We identified these slower potentials as reflections of synaptic currents, and thus of the axonal projections of the neurons, at least within the deep layers of cortex. This also resulted in a means to classify neurons as excitatory or inhibitory with much higher reliability than classical methods (e. g. spike width). The final aspect of my work concerns the use of optogenetics to dissect the mechanisms of cortical oscillations and wave propagation. I show that oscillations can be induced by light in turtle cortex after transfection with AAV2/1 carrying the gene for channelrhodopsin 2 (ChR2). By using the CaMKIIa promoter, ChR2 induced currents are limited to LII/III excitatory cells; we can therefore control excitatory drive to cortical networks. If this drive is strong enough, layer III inhibitory interneurons are recruited and fire in a concerted fashion, silencing the excitatory population. The visually evoked 20 Hz oscillations observed in chronically recorded animals (Schneider, 2015) or in anaesthetized animals (Fournier et al., in press) thus appear to result from a feedback loop between E and I cells within layers II & III. Details of these interactions are being investigated but - layer I interneurons, by contrast, do not seem to be involved. By pulsing light I could control the frequency of the oscillations within a range of several Hz around the natural oscillation frequency. Above this range, cortex could only follow the stimulus at a fraction (1/2, 1/3,...) of the light pulse frequency. Using a digital micromirror device, I limited activation of the cortical networks spatially, enabling the study of wave propagation in this system.
Reptilian cortex offers a relatively simple model system for a reductionist and comparative strategy on understanding cortical computations and dynamics. Turtle dorsal cortex could thus give fundamental insights to the primordial organization tional, computational and functional principles of cortical networks. These insights are relevant to our understanding of mammalian brains and may prove valuable to decipher fundamental questions of modern neuroscience.
Exploring the in vivo subthreshold membrane activity of phasic firing in midbrain dopamine neurons
(2021)
Dopamine is a key neurotransmitter that serves several essential functions in daily behaviors such as locomotion, motivation, stimulus coding, and learning. Disrupted dopamine circuits can result in altered functions of these behaviors which can lead to motor and psychiatric symptoms and diseases. In the central nervous system, dopamine is primarily released by dopamine neurons located in the substantia nigra pars compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) within the midbrain, where they signal behaviorally-relevant information to downstream structures by altering their firing patterns. Their “pacemaker” firing maintains baseline dopamine levels at projection sites, whereas phasic “burst” firing transiently elevates dopamine concentrations. Firing activity of dopamine neurons projecting to different brain regions controls the activation of distinct dopamine pathways and circuits. Therefore, characterization of how distinct firing patterns are generated in dopamine neuron populations will be necessary to further advance our understanding of dopamine circuits that encode environmental information and facilitate a behavior.
However, there is currently a large gap in the knowledge of biophysical mechanisms of phasic firing in dopamine neurons, as spontaneous burst firing is only observed in the intact brain, where access to intrinsic neuronal activity remains a challenge. So far, a series of highly-influential studies published in the 1980s by Grace and Bunney is the only available source of information on the intrinsic activity of midbrain dopamine neurons in vivo, in which sharp electrodes were used to penetrate dopamine neurons to record their intracellular activity. A novel approach is thus needed to fill in the gap. In vivo whole-cell patch-clamp method is a tool that enables access to a neuron’s intrinsic activity and subthreshold membrane potential dynamics in the intact brain. It has been used to record from neurons in superficial brain regions such as the cortex and hippocampus, and more recently in deeper regions such as the amygdala and brainstem, but has not yet been performed on midbrain dopamine neurons. Thus, the deep brain in vivo patch-clamp recording method was established in the lab in an attempt to investigate the subthreshold membrane potential dynamics of tonic and phasic firing in dopamine neurons in vivo.
The use of this method allowed the first in-depth examination of burst firing and its subthreshold membrane potential activity of in vivo midbrain dopamine neurons, which illuminated that firing activity and subthreshold membrane activity of dopamine neurons are very closely related. Furthermore, systematic characterization of subthreshold membrane patterns revealed that tonic and phasic firing patterns of in vivo dopamine neurons can be classified based on three distinct subthreshold membrane signatures: 1) tonic firing, characterized by stable, non-fluctuating subthreshold membrane potentials; 2) rebound bursting, characterized by prominent hyperpolarizations that initiate bursting; and 3) plateau bursting, characterized by transient, depolarized plateaus on which bursting terminates. The results thus demonstrated that different types of phasic firing are driven by distinct patterns of subthreshold membrane activity, which may potentially signal distinct types of information. Taken together, the deep brain in vivo patch-clamp technique can be used for the investigation of firing mechanisms of dopamine neurons in the intact brain and will help address open questions in the dopamine field, particularly regarding the biophysical mechanisms of burst firing in dopamine neurons that control behavior.
Es gibt für die Orientierung von Vögel ein allgemeingültiges Konzept, das Karte-Kompass-Prinzip (Kramer 1953, 1957): Der Karten-Schritt besteht darin, den eigenen Standort zu ermitteln und mit dem Ziel in Beziehung zu setzten. Damit wird die geografische Richtung bestimmt, die im Kompass-Schritt in eine konkrete Richtung umgesetzt wird. Für Beides nutzen Vögel auch das Magnetfeld der Erde; in der Karte als einen Faktor den Verlauf der Intensität, im Magnetkompass die Achse der Feldlinien. Der Magnetrezeptor, der die Karte mit Informationen versorgt, ist im Schnabel lokalisiert, der des Kompasses im Auge. Ich habe mich in meiner Arbeit darauf konzentriert, die zwei potenziellen Magnetrezeptoren der Vögel feinstrukturell und immunhistologisch weiter zu charakterisieren.
Für den Magnetkompass wird auf Grund des Radikalpaar-Modells angenommen, dass Cryptochrome die Rezeptormoleküle sein könnten (Ritz et al. 2000). Bei Vögeln sind vier Cryptochrome bekannt, allerdings muss das Rezeptormolekül des Magnetkompasses auch in seiner Lokalisation bestimmte Kriterien erfüllen. Die für meine Arbeit bedeutsamen Kriterien sind: (1) die gleiche Ausrichtung der Proteine in einer Rezeptorzelle und (2), dass die einzelnen Rezeptorzellen alle Raumrichtungen abdecken. Ich habe in meiner Arbeit Cryptochrom 1a (Cry1a) und Cryptochrom 1b (Cry1b) auf ihr Vorkommen in der Retina von Rotkehlchen (Erithacus rubecula) und Hühnern (Gallus gallus) untersucht. Cry1b befindet sich bei Rotkehlchen während der Zugzeit in den Ganglienzellen, in denen es teilweise an Membranen gebunden vorliegt, die jedoch keine bevorzugte Richtung haben. Somit erscheint mir Cry1b als Rezeptormolekül für den Magnetkompass als eher ungeeignet. Cry1b könnte, wie viele Cryptochrome, an der Steuerung von circadianen Rhythmen beteiligt sein. Cry1a hingegen ist bei beiden untersuchten Vogelarten in den UV/V-Zapfen an die Diskmembranen gebunden, was eine Ausrichtung ermöglicht. Die UV/V-Zapfen sind über die gesamte Retina gleichmäßig verteilt, und durch die sphärische Form des Auges decken die einzelnen Rezeptoren jede Raumrichtung ab. Somit erfüllt Cry1a die Bedingungen des Radikalpaar-Modells, und ich schließe daraus, dass es sich hierbei um das Rezeptormolekül des Magnetkompasses handeln könnte. Cry1a ändert nach Lichtabsorption wie viele Cryptochrome seine Konformation. Der von mir verwendete Antikörper bindet nur die lichtaktivierte Form des Proteins. In Versuchen, in denen Hühner verschiedenen monochromatischen Lichtern ausgesetzt wurden, zeigt sich, dass sich Cry1a in UV bis Gelb in lichtaktiviertem Zustand befindet. Dies stimmt sowohl mit der spektralen Empfindlichkeit des Magnetkompasses der Vögel als auch mit der des Flavins, des lichtsensitiven Teils des Cryptochroms, überein. Versuche mit grünem Licht lassen vorsichtige Rückschlüsse auf das für den Magnetkompass relevante Radikalpaar zu: so ist das Flavin erst im zweiten Oxidationsschritt grünlicht-sensitiv, und Cry1a ist nur nachweisbar, also lichtaktiviert, wenn der erste Schritt bereits im Hellen abgelaufen ist. Versuche in denen die Tiere vorab im Dunkeln waren, führen nicht zur erneuten Lichtaktivierung unter grünem Licht. Dies macht nur eines der beiden im Flavinzyklus entstehenden Radikalpaare wahrscheinlich, nämlich das in der Reoxidation entstehende, da das Radikalpaar im ersten Schritt der Oxidation unter Grün nicht entsteht.
In Bezug auf den Magnetrezeptor im Schnabel konnte bereits bei Tauben eine detaillierte Struktur beschrieben werden, die als Magnetrezeptor geeignet ist, nämlich Magnetit- bzw. Maghemit-Teilchen in Dendriten der Nerven (Fleissner et al. 2003). Auch Hühner haben eisenhaltige Strukturen im Oberschnabel, die in ihrer Eisenoxid-Zusammensetzung denen der Tauben entsprechen (Falkenberg et al. 2010). Ich konnte in meiner Arbeit zeigen, dass die eisenhaltigen Strukturen im Oberschnabel der adulten Hühner an oder in Nervenfasern liegen. Elektronenoptisch bestehen diese eisenhaltigen Strukturen im Nervengewebe bei Hühnern, wie bei Tauben beschrieben, aus einem 3-5 µm großen Vesikel, der von eisenhaltigen ‘Schuppen’ besetzt ist, aus circa 1 µm langen Plättchen und Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 µm. Sie sind in Feldern angeordnet, in denen diese Zellstrukturen gleich ausgerichtet sind. In der Anzahl und Lokalisation der Felder der eisenhaltigen Dendriten gibt es Unterschiede zwischen Hühnern und Tauben, allerdings ist unklar, inwie¬weit dies zu Unterschieden in der Verarbeitung im Gehirn führt. Die Entwicklung der eisenhaltigen Dendriten der Hühner beginnt erst nach dem Schlupf, am Tag des Schlupfes haben Küken noch keine eisenhaltigen Strukturen, abgesehen von roten Blutkörperchen. In den ersten 5 Tagen werden eisenhaltige Makrophagen im frontalen Bereich des Schnabels gebildet, die anschließend wieder reduziert werden. Bei 12 Tage alten Hühnern werden diese auch im lateralen Bereich des Oberschnabels angelegt und ebenfalls dort bis Tag 21 wieder reduziert. 21 Tage alte Hühner haben nur noch wenige eisenhaltige Makrophagen, allerdings ein erstes Feld von eisenhaltigen Dendriten. Die Röntgenabsorption zeigt einen Unterschied in der Eisenoxid-Zusammensetzung zwischen eisenhaltigen Makrophagen und eisenhaltigen Dendriten. Es könnte sein, dass die eisenhaltigen Makrophagen an der Synthese der eisenhaltigen Dendriten beteiligt sind, da sie Eisen aufnehmen, aber auch wieder abgeben können und in demselben Zeitraum reduziert werden, wie die eisenhaltigen Dendriten aufgebaut werden.
Sowohl Tauben als auch Rotkehlchen haben sich phylogenetisch bereits vor 95 Millionen Jahren von den Hühnern abgespalten. Es gibt sowohl in der Lokalisation von Cry1a als auch in der Struktur der einzelnen eisenhaltigen Dendriten keine Unterschiede, so dass es sich bei den beiden Magnetrezeptoren der Vögel vermutlich um sehr alte Mechanismen handelt, die sich in der Evolution kaum verändert haben. Vermutlich sind sie vogelspezifisch, da es in dieser Hinsicht keine erkennbare Gemeinsamkeit mit anderen Wirbeltieren gibt.
Tympanal hearing organs of insects emit distortion-product otoacoustic emissions (DPOAEs) which are indicative of nonlinear mechanical sound processing. General characteristics of insect DPOAEs are comparable to those measured in vertebrates, despite distinct differences in ear anatomy. DPOAEs appear during simultaneous stimulation with two pure tones (f1<f2) as additional spectral peaks at frequencies of nf1-(n-1)f2 and nf2-(n-1)f1, with the 2f1-f2 emission being the most prominent one. Insect DPOAEs are highly vulnerable to manipulations that interfere with the animal's physiological state and disappear after death. First evidence from locusts suggested that scolopidial mechanoreceptors might play a role in frequency-specific DPOAE generation (Möckel et al. 2007). The overall aim of this thesis was to determine the source of sensitive, nonlinear hearing at high frequencies and of DPOAE generation in tympanal organs of insects.
The first project of the present thesis involved general characteristics of DPOAE generation in the bushcricket Mecopoda elongata and the selective exclusion of the scolopidial mechanoreceptors using the neuroactive insectizide pymetrozine (Möckel et al. 2011). Pymetrozin appears to act highly effective and selectively on chordotonal organs, without affecting other sensory organs that lack scolopidial receptors. Pymetrozine solutions were applied as closely as possible to the scolopidia via a cuticle opening in the tibia, distally to the organ. Applications at concentrations between 10-3 and 10-7 M led to a pronounced and irreversible decrease of DPOAE amplitudes. Both this study on bushcrickets (Möckel et al. 2011) and an earlier one on locusts (Möckel et al. 2007) hence indicate the involvement of scolopidia in DPOAE generation in insects, by using complementary methods (pharmacological versus mechanical manipulation) and different animal models.
The second project of the present thesis investigated the temperature-dependence of DPOAEs in the locust Locusta migratoria (Möckel et al. 2012). The suggested biological origin of acoustic two-tone distortions in insects should involve metabolic processes, whose temperature-dependence would directly affect the DPOAE generation. Body temperature shifts resulted in reversible, level- and frequency-dependent effects on the 2f1–f2 emission. Using low f2 frequencies of up to 10 kHz, a body temperature increase (median +8–9°C) led to an upward shift of DPOAE amplitudes of approximately +10 dB, whereas a temperature decrease (median –7°C) was followed by a reduction of DPOAE amplitudes by 3 to 5 dB. Both effects were only present in the range of the low-level component of DPOAE growth functions below f2 stimulus levels of approximately 30-40 dB SPL. Emissions induced by higher stimulus levels and frequencies (e.g. 12 and 18 kHz) remained unaffected by any temperature shifts. The Arrhenius activation energy of the underlying cellular component amounted to 34 and 41 kJmol-1 (for growth functions measured with 8 and 10 kHz as f2, respectively). Such activation energy values provide a hint that an intact dynein-tubulin system within the scolopidial receptors could play an essential part in the DPOAE generation in tympanal organs.
The third project of this thesis demonstrated mechanical DPOAE analogs in the tympanum's vibration pattern during two-tone stimulation in the locust Schistocerca gregaria, using laser Doppler vibrometry (Möckel et al. 2014). DPOAE generation crucially relies on the integrity of the scolopidial mechanoreceptors (Möckel et al. 2007, 2011), which in locusts, directly attach to the tympanal membrane. During two-tone stimulation, DPOAEs were shown to mechanically emerge at the tympanum region where the auditory mechanoreceptors are attached. Those emission-coupled vibrations differed remarkably from tympanum waves evoked by external pure tones of the same frequency, in terms of wave propagation, energy distribution, and location of amplitude maxima. In contrast to traveling wave-like characteristics of externally evoked vibrations, intrinsically generated waves were locally restricted to the region around the high frequency receptors’ attachment position. The mechanical gradient of the tympanal membrane that leads to direction-dependent properties probably avoids the spreading of these locally evoked waves, which are then reflected and occur only in restricted areas as standing waves. Selective inactivation of mechanoreceptors by mechanical lesions did not affect the tympanum's response to external pure tones, but abolished the emission's displacement amplitude peak. These findings provide evidence that tympanal auditory receptors, comparable to the situation in mammals, comprise the required nonlinear response characteristics, which during two-tone stimulation lead to additional, highly localized deflections of the tympanum.
Autism spectrum disorder (ASD) is a common neurodevelopmental disorder with a multifarious clinical presentation. Even though many genetic risk factors have been identified and studied in mouse models, the neurophysiological mechanisms underlying the autistic phenotype are still unclear. Based on the high rates of comorbidity with epilepsy, it was hypothesized that the balance between excitation and inhibition in neural circuits may be disrupted in autistic individuals.
In this dissertation, synaptic and network activity was measured in three different genetically modified mouse models that exhibit the characteristic behavioral abnormalities of the disorder: the Neurobeachin (Nbea) haploinsufficient mouse, the Neuroligin-3 (Nlgn3) knockout (KO) mouse, and the Neuroligin-4 (Nlgn4) KO mouse. Each of the affected proteins is involved in the formation and/or function of synapses in the central nervous system. Therefore, it was posited that the reduction or deletion of these proteins might alter the balance of excitatory to inhibitory synaptic transmission in individual neurons and in neural circuits. Extracellular recordings in the hippocampal dentate gyrus of anesthetized mice revealed that the excitation-inhibition (E-I) balance was reduced in Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice, but unchanged in Nlgn3 KO mice despite a reduction in excitatory synaptic transmission to dentate granule cells. Unexpectedly, the intrinsic excitability of dentate granule cells was altered in all three mouse models. These results imply that a homeostatic increase in the intrinsic excitability is able to compensate for the decreased excitatory transmission in Nlgn3 KO mice, whereas the decreased intrinsic excitability in the Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice leads to a reduction in the E-I balance. Taken together, these findings suggest that the influence of genetic factors on the E-I balance might be a potential common mechanism underlying the development of ASD.
Inhibition of midbrain dopamine (DA) neurons codes for negative reward prediction errors, and causally affects conditioning learning. DA neurons located in the ventral tegmental area (VTA) display two-fold longer rebound delays from hyperpolarizing inhibition in comparison to those in the substantia nigra (SN). This difference has been linked to the slow inactivation of Kv4.3-mediated A-type currents (IA). One known suppressor of Kv4.3 inactivation is a splice variant of potassium channel interacting protein 4 (KChIP4), KChIP4a, which has a unique potassium channel inactivation suppressor domain (KISD) that is coded within exon 3 of the KChIP4 gene. Previous ex vivo experiments from our lab showed that the constitutive knockout of KChIP4 (KChIP4 KO) removes the slow inactivation of IA in VTA DA neurons, with marginal effects on SN DA neurons. KChIP4 KO also increased firing pauses in response to phasic hyperpolarization in these neurons. Here I show, using extracellular recordings combined with juxtacellular labeling in anesthetized mice, that KChIP4 KO also selectively changes the number and duration spontaneous firing pauses by VTA DA neurons in vivo. Pauses were quantified with two different statistical methods, including one developed in house. No other firing parameter was affected, including mean frequency and bursting, and the activity of SN DA neurons was untouched, suggesting that KChIP4 gene products have a highly specific effect on VTA DA neuron responses to inhibitory input.
Following up on this result, I developed a new mouse line (KChIP4 Ex3d) where the KISD-coding exon 3 of KChIP4 is selectively excised by cre-recombinase expressed under the dopamine transporter (DAT) promoter, therefore disrupting the expression of KChIP4a only in midbrain DA neurons. I show that these mice have a highly selective behavioral phenotype, displaying a drastic acceleration in extinction learning, but no changes in acquisition learning, in comparison to control littermates. Computational fitting of the behavioral data with a modified Rescorla-Wagner model confirmed that this phenotype is congruent with a selective increase in learning from negative prediction errors. KChIP4 Ex3d also had normal open field exploration, novel object preference, hole board exploration and spontaneous alternation in a plus maze, indicating that exploratory drive, responses to novelty, anxiety, locomotion and working memory were not affected by the genetic manipulation. Furthermore semi-quantitative IHC revealed that KChIP4 Ex3d mice have increased Kv4.3 expression in TH+ neurons, suggesting that the absence of KChIP4a increases the binding of other KChIP variants, which known to increase surface expression of Kv4 channels.
Furthermore, in the course of my experimental study I identified that the most used mouse line where cre-recombinase is expressed under the DAT promoter (DAT-cre KI) has a different behavioral phenotype during conditioning in relation to WT littermate controls. These animals displayed increased responding during the initial trials of acquisition and delayed response latency extinction, consistent with an increase in motivation, which is in line with a decrease in DAT function.
I propose a working model where the disruption of KChIP4a expression in DA neurons leads to an increase in binding of other KChIP variants to Kv4.3 subunits, promoting their increased surface expression and increasing IA current density; this then increases firing pauses in response to synaptic inhibition, which in behaving animals translates to an increase in negative prediction error-based learning.
Gepaarte assoziative Magnetstimulation (PAS) kann im primären menschlichen Motorkortex (M1) sowohl langzeitpotenzierungs- (LTP) als auch langzeitdepressionsähnliche (LTD) Erregbarkeitsveränderungen hervorrufen. Dies kann durch die Untersuchung magnetisch evozierter Potentiale (MEP) erfasst werden. Dagegen ist wenig über die Auswirkungen von PAS auf willkürliche Aktivität des motorischen Kortex bekannt. Im ersten Experiment haben wir bewegungsabhängige kortikale Potentiale (MRCP) bei zehn gesunden Probanden im EEG registriert, um die willkürliche Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung zweier motorischer Aufgaben zu erfassen. Die Probanden mussten dabei entweder den Daumen abduzieren (Hauptmuskel: Musculus abductor pollicis brevis, APB) oder das Handgelenk strecken (Hauptmuskel: Musculus extensor carpi radialis, ECR). Die Amplituden der motorisch evozierten Potentiale im APB wurden dabei durch PASLTP gesteigert, durch PASLTD vermindert und blieben bei PAScontrol unverändert. Im Gegensatz dazu wurden sie im ECR durch keine PAS-Bedingungen verändert. PASLTP verminderte die Negativität der MRCP während des späten Bereitschaftspotentials (-500 bis 0 ms vor Bewegungsbeginn) nur in der APB-Aufgabe. Diese Veränderungen zeigten sich hauptsächlich über zentralen Elektroden kontralateral zur bewegten Hand. Dieser Effekt korrelierte negativ mit dem durch PASLTP induzierten MEP-Anstieg im APB. PASLTD und PAScontrol hatten dagegen keinen Einfluss auf die MRCP Amplituden. Unsere Ergebnisse deuten auf eine spezifische Wechselwirkung von PAS mit willkürlicher Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung motorischer Aufgaben hin. Dies könnte durch ein Zusammenspiel aus erhöhter Exzitabilität von M1 und einer unterbrochenen effektiven Konnektivität zwischen prämotorischen Arealen und M1 erklärt werden. Die Modulation des dorsolateralen prämotorischen Kortex (PMd) durch repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) verändert die kortikospinale Erregbarkeit in M1. Die Auswirkungen von PMd-rTMS auf vorbereitende Prozesse für willkürliche Bewegungsabläufe sind jedoch unklar. Contingent negative variation (CNV) repräsentiert im EEG kortikale Vorbereitungsprozesse äußerlich getriggerter Bewegungen während das Bereitschaftspotential (BP) Vorbereitungsprozesse intern getriggerter Bewegungen repräsentiert. Im zweiten Experiment wurden CNV und BP jeweils vor und nach PMd-rTMS untersucht. Das Experiment bestand aus drei CNV-Versuchsblöcken mit insgesamt 243 Durchgängen. Dabei mussten die Probanden auf visuelle Anweisung hin eine zwei-Item Finger-Bewegungssequenz durchführen. RTMS wurde sowohl mit 1 Hz als auch mit 5 Hz bei einer Intensität von 110% der aktiven motorischen Schwelle (AMT) unter individueller MR-Navigation appliziert. Die Erfassung des BP erfolgte während der Durchführung derselben motorischen Aufgaben, allerdings bekamen die Probanden keine Anweisungen. Die Durchschnittsamplituden der frühen und späten Komponente von CNV (CNV1:1500-500 ms vor dem Startsignal (S2); CNV: 500-0 ms vor S2) und der frühen und späten Komponente des BP (BP1: 1500-500 ms vor EMG Beginn; BP2: 500-0 ms vor EMG-Beginn) wurden quantitativ für 25 zentrale Elektrodenpositionen verglichen. CNV2 zeigte eine signifikante Bahnung über dem frontal-zentralen Bereich nach 1 Hz PMd-rTMS, blieb aber unverändert nach 5 Hz PMd-rTMS. CNV1, BP1 und BP2 blieben durch 1 Hz und 5 Hz PMd-rTMS unbeeinflusst. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass der dominante PMd eine wichtigere Rolle in der Vorbereitung extern getriggerter Bewegungen spielt, als dies bei intern getriggerten Bewegungen der Fall zu sein scheint. Die CNV2-Antwort könnte eine intensive Interaktion innerhalb des menschlichen motorischen Kontrollnetzwerks anzeigen, die möglicherweise auf kompensationsähnlichen Mechanismen beruht.
The single unit doctrine proposes that each one of our percepts and sensations is represented by the activity of specialized high-level cells in the brain. A common criticism applied to this proposal is the one referred to as the "combinatorial problem". We are constantly confronted with unlimited combinations of elements and features, and yet we face no problem in recognizing patterns and objects present in visual scenes. Are there enough neurons in the brain to singly code for each one of our percepts? Or is it the case that perceptions are represented by the distributed activity of different neuronal ensembles? We lack a general theory capable of explaining how distributed information can be efficiently integrated into single percepts. The working hypothesis here is that distributed neuronal ensembles signal relations present in the stimulus by selectively synchronizing their spiking responses. Synchronization is generally associated with oscillatory activity in the brain. Gamma oscillations in particular have been linked to various integrative processes in the visual system. Studies in anesthetized animals have shown a conspicuous increase in power for the gamma frequency band (30 to 60 Hz) in response to visual stimuli. Recently, these observations have been extended to behavioral studies which addressed the role of gamma activity in cognitive processes demanding selective attention. The initial motivation for carrying out this work was to test if the binding-by-synchronization (BBS) hypothesis serves as a neuronal mechanism for perceptual grouping in the visual system. To this aim we used single and superimposed grating stimuli. Superimposed gratings (plaids) are bi-stable stimuli capable of eliciting different percepts depending on their physical characteristics. In this way, plaids can be perceived either as a single moving surface (pattern plaids), or as two segregated surfaces drifting in different directions (component plaids). While testing the BBS hypothesis, we performed various experiments which addressed the role of both stimulus and cortical architecture on the properties of gamma oscillations in the primary visual cortex (V1) of monkeys. Additionally, we investigated whether gamma activity could also be modulated by allocating attention in time. Finally, we report on gamma-phase shifts in area V1, and how they depend on the level of neuronal activation. ...
Die Verarbeitung während des Hörprozesses von Säugetieren verläuft von der Kochlea mit den inneren und äußeren Haarsinneszellen (äHZ) über afferente Nervenbahnen bis zum auditorischen Kortex (AK). Die daran beteiligten Schaltstationen und deren Funktion sind überwiegend aufgeklärt. Die Hörbahn ist zudem in besonderer Weise durch efferente Rückkopplungen gekennzeichnet, die interne Modulationen sowie sekundäre Reaktionen auf den Reiz ermöglichen. Anatomisch betrachtet verlaufen efferente Projektionen vom AK zu sämtlichen am Hörprozess beteiligten Kerngebieten. Vom Olivenkomplex erfolgt über mediale und laterale Fasern eine Innervation der äHZ bzw. des Hörnervs. Trotz der gut beschriebenen Anatomie ist die funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der funktionelle Zusammenhang vom AK zu den äHZ in der mongolischen Wüstenrennmaus untersucht. Dafür wurde entweder eine pharmakologische Blockierung der Kortexaktivität durch den Natriumkanalblocker Lidocain erzeugt oder eine Aktivierung der Kortexaktivität durch die Anwendung elektrischer Reize ausgelöst. Der Einfluss der Manipulationen wurde in der Kochlea mittels Messungen von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) erfasst. Diese entstehen durch die nichtlineare Verstärkung leiser Schallsignale durch die äHZ zur Erzielung hoher Sensitivität und Frequenzauflösung. Die DPOAE treten als kubische (z. B. 2f1-f2) und quadratische (z. B. f2-f1) Verzerrungen auf und geben Aufschluss über unterschiedliche Parameter der äHZ-Verstärkungsfunktion.
Die Lidocainversuche wurden entweder kontra- oder ipsilateral zur DPOAE-Messung durchgeführt. In beiden Konstellationen traten nach der Lidocaininjektion Erhöhungen und Verringerungen der DPOAE-Pegel im Vergleich zur Basismessung oder unveränderte DPOAE-Pegel auf. Im Mittel lagen die Pegeländerungen bei ca. 11 dB, in Einzelfällen betrugen sie bis zu 44,8 dB. In den Gesamtdaten waren die Effekte nach kontralateraler Injektion oft signifikant größer als nach ipsilateraler Injektion. Ebenso waren die Effekte in der 2f1-f2 Emission meist signifikant größer als in der f2-f1 Emission. Zudem wurde beobachtet, dass signifikant größere Effekte bei einer Stimulation mit Pegeln von 60/50 dB SPL im Vergleich zu 40/30 dB SPL erreicht wurden. Grundsätzlich trat in allen Datensätzen eine Reversibilität der DPOAE-Pegel mit zunehmender Versuchsdauer auf. Die Effekte waren direkt nach der Injektion am größten und erreichten je nach Stimuluspegel und Emissionstyp nach 28-100 min die Basispegel. In keinem der Datensätze lag eine Abhängigkeit der im Kortex gereizten charakteristischen Frequenz (CF) zum betroffenen Frequenzbereich in der Kochlea vor. Die Effekte waren über den gesamten gemessenen Frequenzbereich von 1-40 kHz nachweisbar. Allerdings waren die Frequenzbereiche von 1-10 kHz und 30,5-40 kHz besonders stark von der Lidocaininjektion betroffen.
Auch nach der elektrischen Reizung wurden die drei oben beschriebenen Effekttypen definiert. Mit 54,6 % war der Prozentsatz unveränderter DPOAE-Pegel allerdings sehr hoch. In den anderen beiden Kategorien konnten zusätzlich Differenzierungen im zeitlichen Verhalten der DPOAE-Pegel vorgenommen werden. In 21,6 % bzw. 16,5 % der Datensätze waren die Verringerungen bzw. Erhöhungen bis zum letzten gemessenen Zeitpunkt nach der elektrischen Reizung irreversibel und nur in jeweils 2,8 % der Datensätze war eine Reversibilität zu verzeichnen. In diesen Fällen war die Effektdauer mit im Mittel 31 bzw. 25 min kürzer als in den Lidocainversuchen. Auch die Effektstärken waren mit maximal 23,9 dB und je nach Effekttyp im Mittel 5,1-13,7 dB geringer als nach der Lidocaininjektion. Die größten Effekte traten in einem mittleren Stimuluspegelbereich von 45-55 dB SPL auf. Wiederum konnte keine Abhängigkeit des betroffenen Frequenzbereichs von der kortikal gereizten CF nachgewiesen werden. In Einzelfällen waren auf DPOAE-Ebene nur die Frequenzen ober- und unterhalb der kortikalen CF beeinflusst, wohingegen bei der CF selbst keine Effekte auftraten.
Durch Kontrollexperimente (Salineinjektion bzw. Einführen der Elektrode ohne elektrische Reizung) konnte nachgewiesen werden, dass die Effekte durch die Manipulation der Kortexaktivität hervorgerufen wurden. Somit liegt eine funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie vor, die langanhaltende massive Ausmaße annehmen kann. Die Effektrichtung ist vermutlich durch die exzitatorisch oder inhibitorisch wirkenden Neurone vom Colliculus inferior zum Olivenkomplex bedingt. Die größeren Effekte in der kontralateralen Konfiguration lassen sich durch die Diskrepanz in der Anzahl der gekreuzten (2/3) und ungekreuzten (1/3) medialen Efferenzen erklären. Die kubischen Komponenten der äHZ-Verstärkungsfunktion scheinen stärker beeinflusst zu sein als die quadratischen Komponenten, was in größeren Pegeländerungen in der 2f1-f2 Emission resultiert. Die teils großen Effektstärken sowie die nicht vorhandene Frequenzabhängigkeit zwischen AK und Kochlea sind vermutlich auf den großen Kortexbereich zurückzuführen, der von den gewählten Injektionsvolumina bzw. elektrischen Reizstärken betroffen war. Die großen Effekte im mittleren Stimuluspegelbereich lassen sich sowohl mit einer möglichen Schutzfunktion der Efferenzen vor zu lauten Schallereignissen als auch mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur erleichterten Detektion akustischer Signale in Einklang bringen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivität des AK einen starken Einfluss auf periphere auditorische Mechanismen hat, wodurch die kochleäre Verarbeitung akustischer Signale je nach kortikalem Verarbeitungsstatus massiv modifiziert werden kann.