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Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.
Paradoxer Schlaf als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen (Giraffa camelopardalis)
(2012)
Das Wohlbefinden von Tieren zu schützen ist im Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland festgeschrieben. Das Wohlbefinden eines Tieres wissenschaftlich zu bewerten ist jedoch eine bislang ungelöste Herausforderung. Die Biologie nähert sich dem Problem, subjektive Empfindungen eines Tieres objektiv darzustellen, vorrangig über die Messung der Stressbelastung.
Die Stressantwort eines Organismus setzt sich allgemein aus einer Kombination von vier Systemen zusammen: einer Verhaltensreaktion, einer Antwort des vegetativen Nervensystems, einer neuroendokrinen Antwort und einer Immunantwort. Der in Zoos am häufigsten untersuchte Parameter zur Messung der Stressbelastung ist die Analyse der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot der Tiere. Da jedoch nicht in jeder Stresssituation das „Stresshormon“ Cortisol ausgeschüttet wird, ist es für eine exakte Bewertung der Stressbelastung notwendig, weitere Systeme der Stressantwort wie beispielsweise das Verhalten zu erfassen. Die Chronoethologie verfolgt diesen Ansatz, indem sie Änderungen des Zeitmusters im Verhalten eines Tieres als Antwort auf Veränderungen in der Umwelt oder eines endogenen Faktors erfasst und diese nach Kriterien der Befindlichkeit bewertet. Hier könnte zukünftig das Schlafverhalten eine herausragende Stellung einnehmen, da es von allen vier Stressantwortsystemen beeinflusst wird. Zudem wird aus der medizinischen Schlafforschung berichtet, dass sich insbesondere die Dauer, die ein Organismus im Paradoxen Schlaf (PS) verbringt, durch Stress verändert. Dennoch fand das Schlafverhalten zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren bislang kaum Beachtung. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Anwendbarkeit des PS als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren zu erforschen, um letztlich die Beurteilung des Wohlbefindens von Tieren weiter zu objektivieren. Aufgrund ihrer einzigartigen Schlafstellung während des PS sowie ihrer hohen Sensibilität gegenüber Umweltveränderungen wurde die Giraffe (Giraffa camelopardalis) als Modelltier für diesen non-invasiven Forschungsansatz gewählt.
Im Rahmen der Arbeit wurde in 645 Nächten das Schlafverhalten von 17 Giraffen unterschiedlichen Alters und Geschlechts beobachtet und analysiert. Um stressbedingte Veränderungen im PS-Muster erkennen zu können, wurden die Giraffen zunächst unter „Normalbedingungen“ beobachtet, um hieraus Referenzwerte zu generieren. Anschließend wurden unterschiedliche als stressintensiv einzustufende Situationen wie Nahrungsmangel, Transport, Veränderungen in der Herdenstruktur, Auswirkungen einer Geburt auf das Muttertier sowie verschiedene singuläre Ereignisse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das PS-Muster der Giraffen untersucht und den Referenzwerten gegenübergestellt. Um die Methode der Schlafbeobachtung als Parameter der Stressbelastung zu validieren, wurde zusätzlich ein bei Wiederkäuern etablierter, bereits genannter Stress-Parameter eingesetzt: die Messung der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot mit Hilfe eines Enzymimmunoassays. Diese Methode wurde hier erstmalig an Giraffen angewendet.
Durchschnittlich hielt eine Giraffe unter Normalbedingungen 27 Minuten pro Nacht paradoxen Schlaf. Dabei war die nächtliche PS-Dauer in hohem Maße vom Alter abhängig. Während juvenile Giraffen im Mittel 63 Minuten PS pro Nacht aufwiesen, verbrachten gealterte Giraffen nur 4,5 Minuten pro Nacht in der PS-Stellung. Infolge eines Stressors veränderte sich die PS-Dauer der Tiere: So zeigten alle vier transportierten Giraffen in den ersten Nächten nach ihrem Transport keinen PS oder stark reduzierte PS-Zeiten. Parallel erhöhte sich nach dem Transport die Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot aller Giraffen für mehrere Tage. Auch die untersuchten Veränderungen in der Herdenstruktur hatten in den meisten Fällen signifikante Veränderungen der PS-Dauer zur Folge. Die stärkste im Rahmen dieser Arbeit beobachtete Veränderung des Schlafverhaltens bewirkte der Tod eines Giraffenbullen: Die adulte Giraffenkuh hielt in der Folge für eine Dauer von 21 Tagen keinen paradoxen Schlaf mehr. Ihre Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot stieg nach dem Tod des Bullen hingegen nicht an. Die beobachteten Giraffenmütter zeigten nach der Geburt ihrer jeweiligen Jungtiere ebenfalls eine reduzierte PS-Dauer. Hingegen hatten neugeborene Giraffen, die an Nahrungsmangel litten und innerhalb weniger Tage verstarben, eine höchst signifikant längere PS-Dauer als gleichalte Jungtiere, die überlebten.
Während bei Nahrungsknappheit eine erhöhte PS-Dauer helfen kann Energie zu sparen, ist eine Reduktion der PS-Dauer als Resultat erhöhter Aufmerksamkeit zu interpretieren, wie sie im Zuge der Feindvermeidung in Stress-Situationen sinnvoll ist.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die PS-Dauer im Gegensatz zur Cortisolmetaboliten-Konzentration von allen beobachteten Stressoren beeinflusst wurde. Dabei veränderte sich die PS-Dauer in Abhängigkeit des jeweiligen Stressors graduell unterschiedlich, was Rückschlüsse auf die Intensität des Stressors ermöglicht.
Der PS ist infolge dieser Ergebnisse hervorragend als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen geeignet. Die Analyse des PS kann dabei helfen, die Auswirkungen von subjektiv als stressintensiv oder stressarm eingestuften Situationen auf das Wohlbefinden eines Tieres objektiv zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des PS-Musters, z.B. mit Hilfe moderner Videosoftware, Beeinträchtigungen des Wohlbefindens, wie sie beispielsweise durch Unterernährung, Verletzung oder Krankheit hervorgerufen werden, frühzeitig zu erkennen, was ein zeitnahes Eingreifen zum Wohle des Tieres möglich macht.
Eine Einschränkung des Hörvermögens durch Schäden der Sinnesrezeptoren im Innenohr gilt beim Menschen sowie bei allen anderen Säugetieren als irreversibel. Die Hörforschung ist an der Frage interessiert, ob durch Plastizität in zentralen Teilen des auditorischen Systems Kompensationsmechanismen die Folgen mildern können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, ob und in welchem Umfang nach peripheren Hörschäden durch zentrale Kompensationsmechanismen eine Erholung des Hörvermögens auftritt auf der Basis von plastischen Änderungen der neuronalen Verarbeitung der Eingangssignale aus dem geschädigten Hörorgan. Schäden des Sinnesepithels im Innenohr, z.B. durch überlaute Beschallung oder ototoxische Substanzen, betreffen in der Regel zunächst die äußeren Haarzellen und führen zu einem Verlust der Empfindlichkeit und Frequenzspezifität des Hörvermögens. Eine primäre selektive Schädigung der inneren Haarzellen (IHZ) tritt im Tiermodell, aus unbekannten Gründen nur bei einer Spezies auf, dem Chinchilla (Chinchilla laniger) und zwar nach Gabe des antineoplastischen Medikament Carboplatin. Das gute Tieffrequenzhören der Chinchillas (0.1-20 kHz) ermöglicht außerdem Aussagen zur akustischen Signalverarbeitung in einem für das menschliche Gehör relevanten Frequenzbereich (0.02-16 kHz). Dieses Tiermodell bietet somit die Gelegenheit, die Veränderungen in zentralen Teilen des auditorischen Systems nach einer definierten sensorischen Schädigung zu untersuchen. Hierfür kommt u.a. das auditorische Mittelhirn, der Colliculus Inferior (IC) in Frage. Der IC wird als Hauptintegrationszentrum der Hörbahn angesehen weil er Eingänge von fast allen vor ihm liegenden auditorischen Kernen (z.B. Nucleus cochlearis, Nucleus olivaris und Leminscus lateralis) bekommt. Ein weiterer Grund für die Wahl des IC als Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit ist, die Frage zu beantworten, ob die auf der Ebene des auditorischen Kortex bereits nachgewiesene funktionelle Plastizität auch auf der Ebene des IC schon realisiert oder vorbereitet wird. Die vorliegende Arbeit untersucht das Antwortverhalten der Neurone im ICc an wachen Tieren vor und nach einem selektiven Teilverlust der IHZ bei Erhalt der äußeren Haarzellen. Die Arbeitshypothese ist, dass es nach einem abgeschwächten sensorischen Eingang zu Veränderungen der exzitatorischen und inhibitorischen Antwortfelder kommt, die als funktionelle Plastizität bzw. als Kompensation verstanden werden können. Anhand elektrophysiologischer Ableitungen im ICc von wachen, chronisch implantierten Tieren wurden die exzitatorischen und die inhibitorischen Antwortfelder der Neurone durch Einton- und Zweiton- Stimulation getrennt gemessen und bestimmt. Die Resultate zeigen, dass die exzitatorischen und inhibitorischen Antworteigenschaften im IC bei wachen und narkotisierten Tieren unterschiedlich sind. In wachen Tieren weist die Inhibition generell höhere Variation auf als in narkotisierten Tieren und ist unabhängiger von der Art der Exzitation. Eine Carboplatinbehandlung führte bei allen Tieren nach 3-7 Tagen zu einer Abnahme der Amplituden und einer Erhöhung der Schwellen der akustisch evozierten Hirnstammpotentiale (ABRs). Die histologische Untersuchung des Innenohres (10 Wochen nach Carboplatinbehandlung), zeigte bei allen Tieren Verluste der IHZ (zwischen 20 und 60%) entlang der gesamten Basilarmembran. Es wurden aber keine Verluste von ÄHZ festgestellt. Die Gehirn-Schnitte zeigten, dass die Registrierungen aus dem zentralen Teil des Colliculus Inferior stammen. Die physiologische Untersuchung der Antworteigenschaften der Neurone im IC 4-6 Wochen nach der carboplatinbedingten Schädigung der IHZ zeigte eine Reduktion der Inhibition, die u.a. deutlich an dem Verlauf der Intensitätskennlinien zu beobachten war. Nach dem Teilverlust der IHZ wurden viel weniger nichtmonotone Kennlinien gefunden als vor der Innenohrschädigung. Darüber hinaus beobachteten wir eine Reduzierung der inhibitorischen Regionen und eine signifikante Ausweitung der exzitatorischen Antwortfelder nach dem Teilverlust der IHZ. Die Resultate der vorliegenden Arbeit führen zu der Schlussfolgerung, dass nach einer Teilschädigung der inneren Haarzellen, unter Erhalt der ÄHZ nur ein geringer Sensitivitätsverlust in der zentralen Hörbahn auftritt. Der Verlust von 20-60% der IHZ und der damit einhergehende reduzierte afferente Informationsfluss führt zu physiologischen Veränderungen in der Hörbahn, die im IC von wachen Tieren vor allem durch eine Reduktion der Inhibition hervortritt. Dies deutet daraufhin, dass zentrale Kompensationsmechanismen bei peripheren Hörschäden nicht, wie bisher vermutet, erst in kortikalen sondern zum Teil bereits in subkortikalen Arealen (im Mittelhirn) stattfinden.
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.
Using walls to navigate the room: egocentric representations of borders for spatial navigation
(2021)
Spatial navigation forms one of the core components of an animal’s behavioural repertoire. Good navigational skills boost survival by allowing one to avoid predators, to search successfully for food in an unpredictable world, and to be able to find a mating partner. As a consequence, the brain has dedicated many of its resources to the processing of spatial information. Decades of seminal work has revealed how the brain is able to form detailed representations of one’s current position, and use an internal cognitive map of the environment to traverse the local space. However, what is much less understood is how neural computations of position depend on distance information of salient external locations such as landmarks, and how these distal places are encoded in the brain.
The work in this thesis explores the role of one brain region in particular, the retrosplenial cortex (RSC), as a key area to implement distance computations in relation to distal landmarks. Previous research has shown that damage to the RSC results in losses of spatial memory and navigation ability, but its exact role in spatial cognition remains unclear. Initial electrophysiological recordings of single cells in the RSC during free exploration behaviour of the animal resulted in the discovery of a new population of neurons that robustly encode distance information towards nearby walls throughout the environment. Activity of these border cells was characterized by high firing rates near all boundaries of the arena that were available to the animal, and sensory manipulation experiments revealed that this activity persisted in the absence of direct visual or somatosensory detection of the wall.
It quickly became apparent that border cell activity was not only modulated by the distance to walls, but was contingent on the direction the animal was facing relative to the boundary. Approximately 40% of neurons displayed significant selectivity to the direction of walls, mostly in the hemifield contra-lateral to the recorded hemisphere, such that a neuron in left RSC is active whenever a wall occupies proximal space on the right side of the animal. Using a cue-rotation paradigm, experiments initially showed that this egocentric direction information was invariant to the physical rotation of the arena. Yet this rotation elicited a corresponding shift in the preferred direction of local head-direction cells, as well as a rotation in the firing fields of spatially-tuned cells in RSC. As a consequence, position and direction encoding in RSC must be bound together, rotating in unison during the environmental manipulations, as information about allocentric boundary locations is integrated with head-direction signals to form egocentric border representations.
It is known that the RSC forms many anatomical connections with other parts of the brain that encode spatial information, like the hippocampus and para-hippocampal areas. The next step was to establish the circuit mechanisms in place for RSC neurons to generate their activity in respect to the distance and direction of walls. A series of inactivation experiments revealed how RSC activity is inter-dependent with one of its communication partners, the medial entorhinal cortex (MEC). Together they form a wider functional network that encodes precise spatial information of borders, with information flowing from the MEC to RSC but not vice versa. While the conjunction between distance and heading direction relative to the outer walls was the main driver of neural activity in RSC, border cells displayed further behavioural correlates related to movement trajectories. Spiking activity in either hemisphere tended to precede turning behaviour on a short time-scale in a way that border cells in the right RSC anticipated right-way turns ~300 ms into the future.
The interpretation of these results is that the RSC’s primary role in spatial cognition is not necessarily on the early sensory processing stage as suggested by previous studies. Instead, it is involved in computations related to the generation of motion plans, using spatial information that is processed in other brain areas to plan and execute future actions. One potential function of the RSC’s role in this process could be to act correctly in relation to the nearby perimeter, such that border cells in one hemisphere are involved in the encoding of walls in the contralateral hemifield, after which the animal makes an ipsilateral turn to avoid collision. Together this supports the idea that the MEC→RSC pathway links the encoding of space and position in the hippocampal system with the brain’s motor action systems, allowing animals to use walls as prominent landmarks to navigate the room.
The prefrontal cortex (PFC) is considered the cognitive center of the mammalian brain. It is involved in a variety of cognitive functions such as decision making, working memory, goal-directed behavior, processing of emotions, flexible action selection, attention, and others (Fuster, 2015). In rodents, these functions are associated with the medial prefrontal cortex (mPFC). Experiments in mice and rats have shown that neurons in the mPFC are necessary for successful performance of many cognitive tasks. Moreover, measurements of neural activity in the mPFC show excitation or inhibition in different cells in relation to specific aspects of the tasks to be solved. To date, however, it is largely unknown whether prefrontal neurons are stably activated during the same behaviors within a task and whether similar aspects are represented by the same neurons in different tasks. In addition, it is unclear how specifically neurons are activated, for example, whether cells that are activated in response to reward are activated in a different task without reward in a different situation or remain inactive. To address these questions, we recorded the same neurons in the mPFC of mice over the course of several weeks while the animals performed various behaviors.
To do this, we expressed GCaMP6 in pyramidal neurons in the mPFC of mice. A small lens was implanted in the same location and a miniature microscope ("miniscope") was used to record neural activity. Later the extracted neurons got aligned based on their shape and position across multiple days and sessions. The mice performed five different behavioral tests while neural activity was measured: A spatial working memory test in a T-maze, exploration of the elevated plus maze (EPM), a novel object recognition (NO) test including free open field (OF) exploration, a social interaction (SI) test and discriminatory auditory fear conditioning (FC). Each task was repeated at least twice to check for stable task encoding across sessions. Behavioral performance and neural correlates to specific task events were similar to earlier studies across all tasks. We utilized generalized linear models (GLM) to determine which behavioral variables most strongly influence neural activity in the mPFC. The position of the mouse in the environment was found to explain most of the variance in neural activity, together with movement speed they were the strongest predictors of neural activity across all tasks. Reward time points in the working memory test, the conditioned stimulus after fear conditioning, or head direction in general were also strongly encoded in the mPFC.
Many of the recorded neurons showed a stable spatial activity profile across multiple sessions of the same task. Similarly, cells that coded for position in one task tended to code for position in other tasks. Not only did the same cells code for position across multiple tasks, but cells also coded for movement speed and head direction. This indicates that at least these general behavioral variables are each represented by the same neurons in the mPFC. Interestingly, the stability of position or speed coding did not depend on the time between two sessions, but only on whether it was within the same or across different tasks. Within the same task, stability was slightly higher than across different tasks.
To find out whether task-specific behavioral aspects were also stably encoded in the mPFC, difference scores as the difference in neural activity between two task aspects like left- and right-choice trials or exposed and enclosed locations were calculated. Many cells encoded these aspects stably across different sessions of each task. Both the left-right differences in the different phases of the working memory test, the open-closed-arm differences in the elevated plus maze, the different activity between center and corners in the open field, the social target-object differences in the social interaction test, and the differences between the two tones during fear conditioning were all stably encoded across the population of mPFC cells. Only the distinction between the novel and the familiar object during object recognition was not stably encoded, but also the preference for the novel object was not present in the second session of novel object exploration.
There was also an overlap in coding for different aspects within a task across multiple sessions. For example, cells stably encoded left-right differences in the T-maze between different sessions as a function of walking direction across different phases of working memory, an aspect that we could already show within one session (Vogel, Hahn et al., 2022). During fear conditioning, the same cells showed a discrimination between CS+ and CS- that also responded to the start of CS+.
Consistency in the neurons activity across different tasks was also found, but only between tasks with similar demands, the elevated plus-maze and free exploration of the open field. Cells that were more active in the open arms also showed more activity in the center of the open field and vice versa. This could be an indicator that the cells were coding for anxiety or exposure across those tasks, indicating that neurons in the mPFC also stably encode general task aspects independent of the specific environment. However, it remains unclear what exactly these neurons encode; in the case of a general fear signal, one would also expect activation during fear conditioning which could not be found.
Overall, we found that neurons in the mPFC of mice encoded multiple general behavioral variables across multiple tasks and task-specific variables were encoded stably within each of the tested tasks. However, we found little task-specific variables that were systematically encoded by the same neurons with the exception being the elevated plus-maze and open field exploration, two tasks with similar features.
The nucleus reuniens drives hippocampal goal‑directed trajectory sequences for route planning
(2023)
Goal-directed spatial navigation requires accurate estimates of one’s position and destination, as well as careful planning of a route between them to avoid known obstacles in the environment. Despite its general importance across species, the neural circuitry supporting the ability for route planning remains largely unclear. Previous studies described that place cells in the hippocampal CA1 encode the animal's next movement direction (Wood et al., 2000; Ito et al., 2015) and upcoming navigational routes (Pfeiffer & Foster, 2013). However, it has been shown that part of the CA1 activity representing the animal’s future behaviors is not necessarily generated in the hippocampus, but is derived from the medial prefrontal cortex (PFC) via the nucleus reuniens of the thalamus (RE) (Ito et al., 2015). Notably, the importance of the PFC in navigation has been demonstrated in several studies, including the recent finding of a goal map in the orbitofrontal cortex (Basu et al., 2021). Therefore, I hypothesized that information flow from the PFC to CA1 via the RE plays a key role in route planning.
To assess the animals' route planning ability, I designed a new navigation task in which a rat has to navigate to a fixed target location from various starting positions in an arena. Furthermore, by adding an L-shaped wall in the maze and removing all light sources in the experimental room, this task forced the animals to plan a wall-avoiding route without relying on direct sensory perceptions. I confirmed that rats could learn this task successfully, memorizing the wall location and taking a smooth wall-avoidance route. To test the role of the RE, I inactivated RE neurons by expressing the inhibitory opsin SwiChR++, which resulted in a significant deficit in the animal’s route planning ability, taking a longer non-smooth path to the destination. By contrast, this manipulation did not affect navigation performance when a straight goal-directed route was available, suggesting a specific role of the RE in route planning. I further found that DREADDs-mediated inactivation of neurons in the bilateral hippocampi resulted in a similar deficit in route planning ability, implying cooperation between the RE and the hippocampus.
I finally examined the activity of hippocampal CA1 neurons with and without RE inactivation. While neurons in the hippocampus exhibited brief trajectory sequences corresponding to the animal’s subsequent goal-directed journey, I found that this goal-directed bias of trajectory events was significantly reduced by RE inactivation, likely associated with route-planning deficits in these animals.
Altogether, this dissertation demonstrates the role of the RE from both behavioral and neural coding perspectives, identifying a pivotal circuit element supporting the animal’s route-planning ability.
Neurodevelopmental psychiatric disorders (NPDs) like attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), and schizophrenia, affect millions of people worldwide. Despite recent progress in NPD research, much remains to be discovered about their underpinnings, therapeutic targets, effects of biological sex and age. Risk factors influencing brain development and signalling include prenatal inflammation and genetic variation. This dissertation aimed to build upon these findings by combining behavioural, molecular, and neuromorphological investigations in mouse models of such risk factors, i.e. maternal immune activation (MIA), neuron-specific overexpression (OE) of the cytoplasmatic isoforms of the RNA-binding protein RBFOX1, and neuronal deletion of the small Ras GTPase DIRAS2.
Maternal infections during pregnancy pose an increased risk for NPDs in the offspring. While viral-like MIA has been previously established elsewhere, this study was the first in our institution to implement the model. I validated NPD-relevant deficits in anxiety- and depression-like behaviours, as well as dose- and sex-specific social deficits in mouse offspring following MIA in early gestation. Proteomic analyses in embryonic and adult hippocampal (HPC) synaptoneurosomes highlighted novel and known targets affected by MIA. Analysis of the embryonic dataset implicated neurodevelopmental disruptions of the lipid, polysaccharide, and glycoprotein metabolism, important for proper membrane function, signalling, and myelination, for NPD-pertinent sequelae. In adulthood, the observed changes encompassed transmembrane trafficking and intracellular signalling, apoptosis, and cytoskeletal organisation pathways. Importantly, 50 proteins altered by MIA in embryonic and adult HPC were enriched in the NPD-relevant synaptic vesicle cycle. A persistently upregulated protein cluster formed a functional network involved in presynaptic signalling and proteins downregulated in embryos but upregulated in adults by MIA were correlated with observed social deficits. 49/50 genes encoding these proteins were significantly associated with NPD- and comorbidity-relevant traits in human phenome-wise association study data for psychiatric phenotypes. These findings highlight NPD-relevant targets for future study and early intervention in at-risk individuals. MIA-evoked changes in the neuroarchitecture of the NPD-relevant HPC and prefrontal cortex (PFC) of male and female mice highlighted sex- and region-specific alterations in dendritic and spine morphology, possibly underlining behavioural phenotypes.
To further investigate genetic risk factors of NPDs, I performed a study based on the implications of RBFOX1’s pleiotropic role in neuropsychiatric disorders and previous preclinical findings. Cytoplasmatic OE of RBFOX1, which affects the stability and translation of thousands of targets, was used to disseminate its role in morphology and behaviour. RBFOX1 OE affected dendritic length and branching in the male PFC and led to spine alterations in both PFC and HPC. Due to previously observed ASD-like endophenotypes in our Rbfox1 KO mice and the importance of gene × environment effects on NPD susceptibility, I probed the interaction of cytoplasmatic OE and a low-dose MIA on offspring. Both RBFOX1 OE alone and with MIA led to increased offspring loss during the perinatal period. Preliminary data suggested that RBFOX1 OE × MIA might increase anxiety- and anhedonia-like behaviours. Morphological changes in the adult male OE HPC and PFC suggested increased spine density and reduced dendritic complexity. A small post-mortem study in human dorsolateral PFC of older adults did not reveal significant effects of a common risk variant on RBFOX1 abundance.
To expand upon NPD genetic risks, I evaluated the effects of a homo- (KO) or heterozygous (HET) Diras2 deletion in a novel, neuron-specific mouse model. DIRAS2’s function is largely unknown, but it has been associated with ADHD in humans and neurodevelopment in vitro. In adult mice, there were subtle sex-specific effects on behaviour, i.e. more pronounced NPD-relevant deficits in males, in keeping with human data. KO mice had subtly improved cognitive performance, while HET mice exhibited behaviours in line with core ADHD symptoms, e.g. earning difficulties (females), response inhibition deficits and hyperactivity (males), suggesting Diras2 dose-sensitivity and sex-specificity. The morphological findings revealed multiple aberrations in dendritic and spine morphology in the adult PFC, HPC, and amygdala of HET males. KOs changes in spine and dendritic morphology were exclusively in the PFC and largely opposite to those in HETs and NPD-like phenotypes. Region- and genotype-specific expression changes in Diras2 and Diras1 were observed in six relevant brain regions of adult HET and KO females, also revealing differences in the survival and morphology regulator mTOR, which might underlie observed differences.
In conclusion, the effects of MIA and partial Diras2 knockdown resembled each other in core, NPD-associated behavioural and morphological phenotypes, while cytoplasmatic RBFOX1 OE and full Diras2 KO differed from those. My findings suggest complex dose- and sex-dependent relationships between these prenatal and genetic interventions, whose NPD-relevant influences might converge onto neurodevelopmental molecular pathways. An assessment of such putative overlap, based on available data from the MIA proteomic analyses of embryonic and adult HPC, suggested the three models might be linked via downstream targets, interactions, and upstream regulators. Future studies should disseminate both distinct and shared aspects of MIA, RBFOX1, and DIRAS2 relevant to NPDs and build upon these findings.