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Throughout the entire life, new neurons of the granule cell type (GCs) are continu-ously generated in the mammalian hippocampal dentate gyrus (DG). As a part of the limbic system, the hippocampus is concerned with spatial and declarative memory for-mation. Increasing evidence exists, that adult born granule cells (ABGCs) play an im-portant role in this process. An especially critical period, when these ABGCs are 4-6 weeks old, has come into the focus of research. It is during this specific time-span that the ABGCs express enhanced excitability and synaptic plasticity as well as a lowered threshold for the induction of long term potentiation (LTP), a mechanism associated to learning and memory formation.
This study investigates the time course and dynamics of synaptic integration in ABGCs and mature GCs together with which differences exist between them at various cell ages. Furthermore, spine plasticity following high frequency stimulation (HFS) is analysed focusing on a critical phase of enhanced excitability in 4-5 week old ABGCs.
In this thesis, two approaches at studying the synaptic integration and structural plas-ticity of ABGCs in rats were investigated. This work was performed on fixed brain ma-terial that was provided by two laboratories that performed the in vivo labelling, stimu-lation procedures and brain fixation. In the first project, 6, 12 and 35 weeks old XdU-labelled ABGCs were studied. Adult rats were exposed to an enriched environment and received unilateral intrahippocampal delta burst stimulation (DBS) and LTP induction. The ABGCs and a control population of mature GCs were immunohistologically ana-lysed for Egr1 (early growth response 1) expression. Egr1 is an immediate early gene (IEG), expressed after LTP induction and marks neuronal excitation.
It was found, that unilateral stimulation of the perforant path of the hippocampus re-sults in an increase of Egr1 expression in ABGCs of both hemispheres. It could be shown that the enhanced expression intensity of Egr1 in ABGCs is not a usual state of young GCs but a reaction to DBS. ABGCs from unstimulated control animals and mature GCs expressed lower levels of Egr1. Interestingly, the stimulation induced a similar degree of Egr1 expression intensity in all ABGC age groups. Furthermore, it was found that young ABGC from the infrapyramidal dentate gyrus (DG) express a higher excita-bility than those from the suprapyramidal DG.
In the second project, fixed brain sections were analysed. They stemmed from rat brains containing 28 and 35 day old ABGC that had been transfected with intrahippo-campal RV-GFP (retroviral-green fluorescent protein) injections and had received uni-lateral high frequency stimulation of the medial perforant path in vivo. Nuclear Egr1 expression intensity was analysed in a cell specific manner. Dendritic spine size was measured in the inner-, middle- and outer molecular layer (IML, MML, OML). It was found that in ABGC, stimulation induced Egr1 expression increase is lower than in ma-ture GC. Following HFS, a significant homosynaptic spine enlargement was observed in the MML indicating homosynaptic LTP, while heterosynaptic spine shrinkage was found in the adjacent IML and OML. The latter corresponds to heterosynaptic long term depression (LTD). Homosynaptic plasticity describes an input-specific potentiation of synapses that received direct activation. The weakening of synapses not stimulated dur-ing homosynaptic potentiation is oppositely coined heterosynaptic plasticity1.
A positive correlation between an increase in nuclear Egr1 expression intensity and spine enlargement due to homosynaptic plasticity induced by HFS could be shown. Concomitant heterosynaptic plasticity, as indicated by spine shrinkage was observed. Spine shrinkage in the IML and OML showed a negative correlation to a decrease in Egr1 intensity.
Taken together, the results provide detailed information on the gradual integration of ABGC with ongoing maturation. Cell specific proof for homo- and heterosynaptic plas-ticity following HFS was found in the critical period of synaptic integration of ABGCs.
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.