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Rhythms, i.e. periodic sequences of events or states, are a ubiquitous feature of physiological systems such as the heart, the lungs or the brain. For the brain in particular, the diversity of rhythms is remarkable, ranging from low frequency rhythms in the slow/delta band (0.5-4 Hz) during sleep to gamma band oscillations (30-120 Hz) rhythms during alert behavior, all expressed in various brain areas and at various spatial scales. To understand whether these rhythms subserve a function for the organism it is important to also understand the underlying mechanisms that generate them. While the generation of some rhythms appear to be well-understood, e.g. sleep spindles, others such as the cortical beta rhythm (13-30 Hz) have remained elusive.
Understanding the generation of a brain rhythm involves multiple spatial scales, from identifying intracellular mechanisms such as the contribution of individual transmembrane currents to studying how specific neuronal populations or areas affect the full physiological rhythm present in the intact, highly interconnected brain. The aim of this work has been to delineate the mechanistic contributions of individual brain areas to the in vivo generation of two particular rhythms present in efferent areas: (1) The first part of this work studies the influence of thalamocortical neurons on cortical slow/delta waves (0.5-4 Hz) of sleep that are sometimes also present in awake animals. (2) The second part is about the contribution of primary visual cortex to the beta rhythm (13-30 Hz) in extrastriate cortex of awake behaving animals.
An exciting in vivo function of ATP-sensitive potassium channels in substantia nigra dopamine neurons Ð Implications for burst firing and novelty coding ÐPhasic burst activity is a key feature of dopamine (DA) midbrain neurons. This particular pattern of excitation of DA neurons occurs via a synaptically triggered transition from low-frequency background spiking to transient high-frequency discharges. Burst-firing mediated phasic DA release is critical for flexible switching of behavioural strategies in response to unexpected rewards, novelty and other salient stimuli. However, the cellular and molecular bases of burst signalling in distinct DA subpopulations of the substantia nigra (SN) or the ventral tegmental area (VTA) are unknown.
DA neuron excitability is controlled by synaptic network inputs, neurotransmitter receptors and ion channels, which generate action potentials and determine frequency and pattern of electrical activity in a complex interplay. ATP-sensitive potassium (K-ATP) channels are widely expressed throughout the brain, where in most cases they are believed to act as metabolically-controlled 'excitation brakes' by matching excitability to cellular energy states. However, their precise physiological in vivo function in DA neurons remains elusive.
To study burst firing and the underlying ionic mechanisms with single cell resolution, in vivo single-unit recordings were combined with juxtacellular neurobiotin labelling as well as immunohistochemical and anatomical identification of individual DA neurons. In vivo recordings were performed in adult isoflurane-anaesthetised wildtype (WT) and global K-ATP channel knockout mice, lacking the pore forming Kir6.2 subunit (Kir6.2-/-). In addition, DA cell-selective functional silencing of K-ATP channel activity in vivo was established using virus-mediated expression of dominant-negative Kir6.2 subunits. Careful control experiments ruled out any significant contributions from nonDA neurons as transduction was effectively limited to SN DA neurons rather than affecting those cells that innervate them. Virus-based K-ATP channel silencing in combination with juxtacellular recording and labelling was achieved to define the electrophysiological phenotype of individually identified, virally-transduced DA neurons in vivo.
Single-unit recordings revealed that K-ATP channels Ð in contrast to their conventional hyperpolarising role Ð in a subpopulation of DA neurons located in the medial SN (m-SN) act as cell-type selective gates for excitatory burst firing in vivo. The percentage of spikes in bursts was threefold reduced in Kir6.2-/- compared to WT mice. Classification of firing patterns based on visual inspection of autocorrelation histograms and on a newly developed spike-train-model confirmed the dramatic shift from phasic burst to tonic single-spike oscillatory firing in Kir6.2-/-. This significant decrease of burstiness was selective for m-SN DA neurons and was not exhibited by DA cells in the lateral SN or VTA. Virus-based K-ATP channel silencing in vivo unequivocally demonstrated that the activity of postsynaptic K-ATP channels was sufficient to disrupt bursting in m-SN DA neuron subtypes. Patch-clamp recordings in brain slices indicated an essential role of K-ATP channels for NMDA-mediated in vitro bursting. In accordance with previous studies in DA midbrain neurons, NMDA receptor stimulation triggered burst-like firing in m-SN DA cells in vitro, but only when K-ATP channels were co-activated in these neurons.
K-ATP channel-gated burst firing in m-SN DA neurons might be functionally relevant in awake, freely moving mice. To explore the behavioural consequences of SN DA neuron subtype-selective K-ATP channel suppression, spontaneous open field (OF) behaviour of mice with bilateral K-ATP silencing across the whole SN (medial + lateral) or in only the lateral SN was tested. Analysis of WT and global Kir6.2-/- mice showed reduced exploratory locomotor activity of Kir6.2-/- in a novel OF environment. Remarkably, K-ATP channel silencing in m-SN DA neurons phenocopied this novelty-exploration deficit, indicating that K-ATP channel-gated burst firing in medial but not lateral SN DA neurons is crucial for WT-like novelty-dependent exploratory behaviour.
In summary, a novel role of K-ATP channels in promoting the excitatory switch from tonic to phasic firing in vivo in a cell-type specific manner was discovered. The present PhD thesis provides several important insights into the pivotal function of K-ATP channels in medial SN DA cells, which project to the dorsomedial striatum, for burst firing and its important consequences for context-dependent exploratory behaviour.
In collaboration with two other research groups transcriptional up-regulation of K-ATP channel and NMDA receptor subunits and high levels of in vivo burst firing were detected in surviving SN DA neurons from Parkinson's disease (PD) patients Ð providing a potential link of K-ATP channel activity to neurodegenerative pathomechanisms of PD. Using high-resolution fMRI imaging another study in humans has recently identified distinct DA midbrain regions that are preferentially activated by either reward or novelty. Taken together, these human data and the results of the present PhD thesis suggest that burst-gating K-ATP channel function in SN DA neurons impacts on phenotypes in disease as well as in health.
The midbrain DA system comprising dopamine (DA) neurons of the substantia nigra (SN) and the ventral tegmental area (VTA) is involved in various brain functions, including voluntary movement and the encoding and prediction of behaviorally relevant stimuli. In Parkinsonʼs disease (PD), a progressive degeneration of particularly vulnerable SN DA neurons causes a progressive DA depletion of striatal projection sites. As a consequence, motor symptoms such as tremor, hypokinesia and rigidity appear once about 50 % to 70 % of SN DA neurons have been lost. Under physiological conditions, SN DA neurons can encode behaviorally salient events and coordinated movements through tonic and phasic activity and correlated striatal DA release. Burst-activity mediates a phasic, supralinear rise of striatal DA levels and allows to activate coordinated movements via modulation of corticostriatal signals.
In the present dissertation project, pathophysiological adaptations of surviving SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostiatal system have been studied using a 6-hydroxydopamine mouse model of PD. Combining in vivo retrograde tracing techniques with in vitro whole-cell patch-clamp recordings, multifluorescent immunolabeling and confocal microscopy allowed an unambiguous correlation of electrophysiological phenotypes, anatomical positions and neurochemical phenotypes of recorded neurons on a single-cell level. In vitro, neuronal activity of SN DA neurons is characterized by spontaneous, slow pacemaker activity of 1 to 10 Hz and a high degree of spike-timing precision. In vitro current-clamp recordings of surviving SN DA neurons using acute brain slice preparations after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system showed a significant perturbation of spontaneous pacemaker activity, mirrored by a decreased spike-timing precision compared to controls. Selective pharmacology and whole-cell voltage-clamp recordings served to identify calciumactivated SK channels as molecular effectors of a perturbated pacemaker activity of surviving SN DA neurons. SK channels and have been shown to critically contribute to the spike-timing precision of SN DA neurons. Consistently, in vitro current-clamp recordings after pharmacological blockade of SK channels in vitro caused a significant decrease of spike-timing precision, occluding previously observed differences between surviving SN DA neurons and controls.In addition to in vitro patch-clamp recordings, extracellular single-unit recordings in anaesthetized animals in vivo served to study surviving SN DA neurons embedded in an intact neuronal network after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system. Combining in vivo single-unit recordings, juxtacellular neurobiotin labeling and multifluorescent immunohistochemistry allowed to directly correlate electrophysiological and neurochemical phenotypes as well as anatomical positions on a single-cell level. In vivo, surviving SN DA neurons showed a significant decrease of spike-timing precision as reflected by an increased irregularity and an augmented burst activity compared to controls.
The present dissertation project provided a unique combination of a neurotoxicological PD mouse model, retrograde tracing techniques and in vitro as well as in vivo electrophysiologiy, allowing to unambiguously correlate electrophysiological adaptations, projection-specific anatomical positions and neurochemical phenotypes of SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostriatal system. Surviving SN DA neurons exhibited a significant deficit of SK channel activity after a partial degeneration of the nigrostriatal DA system. In consequence of a diminished SK channel activity observed in vitro, surviving SN DA neurons exhibited and enhanced burst activity in vivo, providing a plausible mechanism to compensate a striatal DA depletion.
The human brain is one of the most complex biological systems. More than 100 billion neurons build networks that control basic body functions and highly coordinated movements, enable us to express emotions, feelings and thoughts and to store memories over years and even throughout life time. Ultimately, “We are who we are because of what we learn and what we remember” (Kandel 2006). Under pathological conditions, the brain function is challenged. Most if not all neurological diseases have in common that they are either triggered and/or accompanied by inflammatory processes of brain tissue, referred to as neuroinflammation. Such inflammatory processes directly affect an elementary neural mechanism relevant for learning and memory: synaptic plasticity. Indeed, neurons are highly dynamic structures and able to respond to specific stimuli with morphological, functional and molecular adaptations that modify the strength and number of neuronal contact sides (synapses). Hence, the main motivation of this thesis was to identify the neural targets through which inflammation affects brain function and synaptic plasticity in particular. The principles of synaptic plasticity have been studied intensively in the hippocampus, an anatomical structure localized within the temporal lobes that is essential for the consolidation of memories and spatial navigation. Synaptic plasticity is coordinated by complex interactions of thousands of molecules and proteins. Among those proteins, synaptopodin (SP) is localized at a strategic position within excitatory synapses and has been shown to be fundamentally involved in the regulation of synaptic plasticity.
To induce neuroinflammation and to study its effects on SP as well as synaptic plasticity, the classic model of lipopolysaccharide (LPS) was applied. This thesis discloses that inflammatory processes impair the ability of neurons to express hippocampal synaptic plasticity in vivo, which is accompanied by a downregulation of SP-mRNA and protein level in the mouse hippocampus, indicating that SP is one of the cellular targets through which inflammatory signaling pathways affect synaptic plasticity and hence neural function. To learn more about the cellular and molecular mechanisms, an in vitro LPS model was established using entorhino-hippocampal organotypic slice cultures (OTCs).
While confirming the major effect of LPS on SP, this thesis furthermore shows that neuroinflammation crucially involves the cytokine TNFα to transduce its effects on SP, and that microglial cells are the main source of TNFα production under inflammatory conditions. In an attempt to learn more about the mechanisms that are affected under conditions of neuroinflammation effects of retinoic acid (RA), a vitamin A derivate were tested. This is mainly because SP as well as RA have been shown to modulate synaptic plasticity through the accumulation of glutamate receptors at the postsynaptic site: SP via the association with the actincytoskeleton as well as intracellular calcium stores, and RA directly via the modulation of local protein synthesis within dendrites. Indeed, in slice cultures exposed to RA, hippocampal SP cluster size is upregulated, both in vitro and in vivo. Intriguingly, a lack of SP prevents RA-induced synaptic strengthening of hippocampal dentate granule cells in OTCs. This suggests a direct contribution of SP in RA-dependent synaptic plasticity. Interestingly, co-immunoprecipitation of SP-mRNA together with the RA-receptor alpha (RARα) further implies that RA directly controls synaptic plasticity via regulation of SP-protein expression. It is therefore interesting to speculate that RA may increase SP expression or prevent its reduction and thus alterations in synaptic plasticity under conditions of neuroinflammation. Taken together, this thesis identifies SP as an important neuronal target of TNFα-mediated alterations in synaptic plasticity. Moreover, the work on RA indicates that SP affects the ability of neurons to express synaptic plasticity by modulating/mediating local protein synthesis. Since neuroinflammatory processes are an elementary concomitant feature and/or cause of neurological diseases, I am confident that future work on the effects of inflammatory processes on brain function may provide the perspective in devising new therapeutic strategies for the treatment of neuropathologies such as Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, epilepsy or stroke, by targeting SP expression and SP-mediated synaptic plasticity.
Neuronale Repräsentation intrinsischer cochleärer Signale im Colliculus inferior der Wüstenrennmaus
(2008)
Die vorliegende Arbeit untersucht die neuronale Repräsentation von cochleären Verzerrungsprodukten im auditorischen Mittelhirn der Wüstenrennmaus. Die hohe Sensitivität und die gute Frequenzauflösung des Hörorgans der Säugetiere basiert auf einer aktiven mechanischen Verstärkung der schallinduzierten Basilarmembranschwingung im Innenohr. Die äußeren Haarsinneszellen, die während des Transduktionsprozesses zyklisch ihre Länge ändern und dabei zusätzliche Schwingungsenergie in das System zurückführen, sind der zugrunde liegende Motor des aktiven cochleären Verstärkers. Die stark nichtlinearen Eigenschaften dieses Verstärkers führen allerdings bei gleichzeitiger Verstärkung mehrerer Frequenzkomponenten zur Generierung von Kombinationsschwingungen, welche im Ursprungssignal nicht vorhanden sind. Wird das Ohr beispielsweise durch zwei Töne mit den Frequenzen f1 und f2 stimuliert (f1<f2), so entstehen verschiedene Kombinationsschwingungen, deren prominenteste das quadratische (f2-f1) und das cubische (2 f1-f2) Verzerrungsprodukt sind. Diese Verzerrungen des Ursprungssignals breiten sich von ihrem Entstehungsort im Innenohr, dem Überlappungsbereich der Stimuluswanderwellen, im Flüssigkeitsraum der Cochlea aus und werden über das Mittelohr in den Gehörgang übertragen. Im Gehörgang sind sie mit Hilfe eines sensitiven Mikrophons als otoakustische Emissionen (DPOAE - distortion product otoacoustic emissions) messbar. Zusätzlich bilden sie an ihrem Resonanzort auf der Basilarmembran, vergleichbar mit einem externen Stimuluston gleicher Frequenz, eine eigene Wanderwelle aus und aktivieren den Transduktionsprozess. Die neuronalen Korrelate der cochleären Verzerrungsprodukte sind auf verschiedenen Stationen der Hörbahn messbar und cochleäre Verzerrungsprodukte können als separate Töne wahrgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Korrelate und otoakustischen Emissionen von cochleären Verzerrungsprodukten erstmals simultan bestimmt. Durch den direkten Vergleich der neuronalen Aktivität mit der peripheren Emissionsmessung sollen eventuelle zentralnervöse Veränderungen der Repräsentation der cochleären Verzerrungsprodukte untersucht werden. Dazu wurde die elektrische Aktivität von 91 Neuronen des Colliculus inferior der Wüstenrennmaus während der Stimulation durch zwei hochfrequente Stimulustöne gemessen. Die Frequenzen der Stimulustöne waren so gewählt, dass die Frequenz eines, durch sie evozierten Verzerrungsproduktes, mit der charakteristischen Frequenz des jeweiligen Neurons übereinstimmte. In 95 % aller Messungen konnte eine robuste neuronale Aktivität während Zweitonstimulation gemessen werden, die sich auf die Stimulation durch ein spezifisches cochleäres Verzerrungsprodukt zurückführen lässt. Bei einem Teil der Versuche wurden die Verzerrungsprodukte durch direkte intracochleäre Auslöschung mit einem dritten Tonstimulus eindeutig als Quelle der neuronalen Aktivität bestätigt. Für Verzerrungsproduktfrequenzen oberhalb 1,3 kHz lassen sich die Antworten der Neurone im schwellennahen Bereich gut mit den simultan im Gehörgang bestimmten DPOAE-Pegeln erklären, was einen engen Zusammenhang zwischen intracochleärem Verzerrungsproduktpegel und DPOAE-Pegel nahe legt. Bei höheren Stimuluspegeln konnten die maximalen neuronalen Antworten auf den intracochleären Verzerrungsproduktstimulus signifikant von der Einzeltonantwort abweichen, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduktion der Maximalantwort möglich war. Ein inhibitorischer bzw. verstärkender Einfluss der Stimulustöne auf die neuronale Verzerrungsproduktantwort wird als mögliche Ursache der Unterschiede diskutiert. Für Verzerrungsproduktfrequenzen unterhalb 1,3 kHz wurde ein deutlicher Unterschied zwischen dem intracochleären Verzerrungsproduktpegel und dem im Gehörgang gemessenen Emissionspegel deutlich. Ein Teil der getesteten tieffrequenten Neurone antwortete während Zweitonstimulation bereits für Stimuluspegel, die unterhalb der Reintonschwelle des Neurons lagen. Eine frequenzspezifische Verschlechterung der Mittelohrübertragungsleistung bei tiefen Frequenzen wird als mögliche Ursache für die unterschwelligen Antworten der Neurone diskutiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass cochleäre Verzerrungsprodukte einen substanziellen Anteil an der neuronalen Repräsentation von komplexen Stimuli haben können. Im Besonderen machen die vorgestellten Daten deutlich, dass die neuronalen Repräsentation der Grundfrequenz eines komplexen Klangs wesentlich von cochleären Verzerrungsprodukten beeinflusst sein kann. Dies bedeutet, dass bereits im Innenohr Tonhöheninformation extrahiert werden kann und damit die Relevanz in der Literatur diskutierter neuronaler Mechanismen zur Berechnung von Tonhöhe relativiert wird.
Reading is an essential ability to master everyday life in our society. The ability to read is based on specific connections between brain regions involved in the reading process – so-called cortical networks for reading. These cortical networks for reading allow us to learn the correct identification of visual words. The use of visual words is based on knowledge about the orthography (lexical) and the meaning of words (semantic). This knowledge must be acquired by beginning readers (first grader), i.e. beginning readers learn in a first step to link letters to a whole word and in a second step associate this whole word with meaning. To retrieve this knowledge during visual word recognition (VWR) a cortical network for lexical-semantic process must be activated. However, it is currently unclear whether beginning readers and reading experts activate the same neuronal network during VWR. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the question whether beginning readers (first grader, children) and reading experts (adults) use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR.
To address this question we recorded electroencephalographic (EEG) activity during VWR in children and adults. Children and adults were instructed to read a visualizable word to compare this word with a following picture stimulus. The first part of this thesis is concerned with the analysis of ERPs for visual word recognition in children and adults at sensor level. For both groups we observed the typical ERP components P100 and N170 for visual word recognition. These components differed in amplitude and time course between both groups. The second part of this thesis investigated the neuronal generators (brain areas) of ERPs during VWR and possible differences between children and adults at source level. We observed a high overlap in brain areas involved during VWR in children and adults. However, the brain areas differed in activation and time course between children and adults. Finally, the third and most important part of the thesis investigated the question whether children and adults use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR over time. To address this question Dynamic Causal Modeling (DCM) and Bayesian model comparison were used. We compared nine biologically plausible cortical network models underlying the ventral lexical-semantic path in VWR. In addition, increasing time intervals were used to consider possible changes of network structure during VWR. The network models included eight brain regions (four bilateral pairs) involved in the lexical-semantic processing in VWR: occipital cortex (OC), temporo-occipital part of inferior temporal gyrus (ITG), temporal pole (TP), and inferior frontal gyrus (IFG). In almost all time intervals we found evidence that children and adults use the same cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR. However, we found differences between adults and children in the connection strengths of the favoured model. Interestingly, we found a stronger direct connection from OC to IFG in adults compared to children.
In conclusion, our results suggest that children and adults activate largely the same lexical-semantic networks during VWR over time. This supports the notion that children and adults use the same biological fiber connections for VWR. However in contrast to children, adults showed increased use of the shortcut pathway from OC to IFG. The increased use of the shortcut pathway from OC to IFG in adults can be interpreted as consequence of learning. Learning causes in accordance with the Hebbian learning rule (“neurons that fire together, wire together” (Hebb, 1949)) synaptic change. Consequently the frequent coactivation of the input and output stage of OC and IFG during the lexical-semantic process facilitates the stronger direct connection between both brain areas. The stronger direct connection from OC to IFG most likely allows adult reading experts to speed up the lexical-semantic process during VWR. Accordingly, we conclude that the stronger direct connections from OC to IFG in adults compared to children underlay the different reading capabilities in both groups.
Veränderungen in der akustischen Umwelt sind häufig mit Ereignissen verbunden. Diese wiederum können für ein Tier eine besondere Verhaltensrelevanz haben, im Gegensatz zu einem gleichbleibenden akustischen Hintergrund, der mit keinem positiven oder negativen Ereignis verbunden ist. Es ist also naheliegend zu spekulieren, dass Veränderungen oder neue akustische Reize im zentralen Nervensystem anders repräsentiert werden als der kontinuierliche Hintergrund und dass diese Repräsentation sowohl von der Häufigkeit der Stimuli als auch vom Unterschied zum akustischen Hintergrund abhängt. In Elektroenzaphalografie-Messungen (EEG) am Menschen wurde eine besondere Aktivitätsänderung bei auditorischen Abweichungen erstmals 1978 nachgewiesen. Dabei wurde ein akustischer Reiz über einen längeren Zeitraum regelmäßig wiederholt (Standard) und in einigen, seltenen Fällen durch einen anderen Reiz (Deviant) ersetzt. Dieser Deviant löste eine zusätzliche negative Komponente im EEG aus (Mismatch negativity), die bei den Standard-Stimuli nicht vorhanden war. Eine Voraussetzung, um MMN auszulösen, ist die Präsentation von einigen Standard-Stimuli, sodass eine neuronale Repräsentation des Stimulus aufgebaut werden kann, gegen die jeder weitere Reiz abgeglichen wird. Die zelluläre Basis von MMN und des zugrunde liegenden Mechanismus zur Detektion von auditorischen Veränderungen ist nur wenig erforscht. Als möglicher zellulärer Detektionsmechanismus akustischer Veränderungen wurde die Stimulus-spezifische Adaptation (SSA) vorgeschlagen, die zugleich der Ursprung von MMN im primären auditorischen Kortex sein könnte. SSA beschreibt die Eigenschaft von Neuronen der Hörbahn, auf die Wiederholung von identischen Reizen mit abnehmender Aktivität zu antworten und zugleich die Fähigkeit beizubehalten, andere Stimuli weiterhin mit hoher Aktivität zu repräsentieren. Die veränderte neuronale Repräsentation von Tönen mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit, im Vergleich zu Tönen mit hoher Auftrittswahrscheinlichkeit, wurde bereits sehr eindrücklich im auditorischen Kortex der anästhesierten Katzen demonstriert. Die vorliegende Arbeit hat es sich zum Ziel gesetzt, bei der Repräsentation von auditorischen Abweichungen die Lücke zwischen der Ebene aufsummierter Potenziale (EEG beim Menschen) und der Ebene einzelner kortikaler Neurone zu schließen. Gleichzeitig sollte dabei erstmalig SSA im auditorischen Kortex des wachen Tieres nachgewiesen und so eine pharmakologische Interaktion der normalerweise eingesetzten Anästhetika mit SSA ausgeschlossen werden. Der experimentelle Ansatz basierte auf elektrophysiologischen Messungen mit chronisch implantierten Mikroelektroden im wachen Tier. Die Elektroden waren im auditorischen Kortex positioniert und ermöglichten eine gleichzeitige Messung der lokalen aufsummierten Potenziale (lokale Feldpotenziale, LFP) und der Aktionspotenziale einzelner Neurone als extrazelluläre Potenzialveränderungen. Das Stimulationsparadigma bestand aus Folgen zweier Reintöne, die mit unterschiedlicher Auftrittwahrscheinlichkeit präsentiert wurden. Der Ton mit hoher Auftrittwahrscheinlichkeit bildete den akustischen Hintergrund, der Ton mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit (Deviant) die akustische Abweichung. In dieser Arbeit konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass Neurone im auditorischen Kortex der wachen Ratte akustische Abweichungen mit einer höheren Aktivität repräsentieren als den auditorischen Hintergrund (bis zu 19,5% Aktivitätsunterschied). Stimulusspezifische Adaptation ist somit auch im wachen Tier Teil der neuronalen Codierung der akustischen Umwelt. Mithilfe der Signalentdeckungstheorie konnte des Weiteren gezeigt werden, dass die unterschiedliche neuronale Repräsentation von häufigen und seltenen Stimuli auch zu einer erhöhten neuronalen Unterscheidbarkeit zwischen beiden Stimuli führte. Auf der Ebene der ereigniskorrelierten LFPs konnte SSA in zwei Komponenten nachgewiesen werden: der ersten, negativen Auslenkung und der folgenden, positiven Auslenkung. Besonders in der ersten, negativen Komponente war SSA systematisch nachzuweisen und sie war zusätzlich starkmit der Aktivität der einzelnen Neuronen korreliert, während die positive Komponente der LFPs keine Korrelation mit den Messungen der einzelnen Nervenzellen zeigte. Der Grad der SSA hing von der Auftrittwahrscheinlichkeit und dem Frequenzabstand der beiden Töne ab. Keine der Messungen hatte die besondere Charakteristik von MMN. Zusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass SSA auch im wachen Tier nachgewiesen wurde, sowohl auf der Ebene einzelner Neurone als auch in der aufsummierten Aktivität, wenn auch in einer schwächeren Ausprägung als in den bisher veröffentlichten Ergebnissen in anästhesierten Tieren. Ein direkter Beitrag der kortikalen Neurone zu MMN konnte nicht gezeigt werden, es gab aber einen starken Zusammenhang zwischen den einzelnen Neuronen und den LFPs.
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.
Die paravertebralen Grenzstränge entwickeln sich aus Neuralleistenzellen des Rumpf- und Lendenbereichs. Diese sammeln sich im Hühnerembryo an Embryonaltag 2,5-3 an der dorsalen Aorta und formen die primären sympathischen Ganglien. Die dorsale Aorta sezerniert Morphogene, welche einen Teil der Vorläuferzellen zur Differenzierung zu Neuroblasten anregt. Die sympathischen Neuroblasten sind, obgleich sie bereits neurale und noradrenerge Marker exprimieren, zur Zellteilung fähig. Sie unterscheiden sich darin von anderen Neuralleistenderivaten wie beispielsweise den Neuronen der parasympathischen Ziliarganglien und der sensorischen Hinterwurzelganglien. Schließlich wandern die primären sympathischen Ganglien weiter und bilden lateral zum Notochord die paravertebralen Grenzstränge (Rohrer, 2011).
Der Homöodomänen-Transkriptionsfaktor PROX1 wird im Laufe der Entwicklung höherer Vertebraten in vielen Geweben exprimiert. Welche Wirkung PROX1 dabei auf Überleben, Migration, Proliferation und Differenzierung hat, hängt davon ab, in welchem Zelltyp er aktiv ist (Dyer et al., 2003; Lavado et al., 2010). Im peripheren Nervensystem konnte PROX1 embryonal in den Hinterwurzelganglien und den sympathischen Ganglien nachgewiesen werden (Becker et al., 2009; Diplomarbeit Julia Holzmann, 2010). Zielsetzung dieser Dissertation war es, die Expression und die Funktion von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen zu analysieren.
Die Expressionsanalyse von PROX1 zeigte, dass der Anteil der PROX1-positiven Neurone an Embryonaltag 5 (E5) ein Maximum erreicht und danach im Laufe der Entwicklung stetig abnimmt. Dies gilt ebenso für die Population der proliferierenden Neuroblasten, welche ebenfalls im Laufe der Hühnerentwicklung erstmals detailliert untersucht wurde. Diese Korrelation führte zu der Vermutung, dass PROX1 hauptsächlich in proliferierenden Zellen exprimiert wird, welche anschließend experimentell bestätigt werden konnte. Die Population der PROX1-positiven und die der p27-negativen Neuroblasten haben in allen untersuchten Hamburger Hamilton-Stadien (HH-St 21-37) eine vergleichbare Größe. Dennoch ist PROX1 durchgehend in einem kleinen Teil der p27-positiven Neurone enthalten. Diese Population verändert sich im Laufe der Entwicklung kaum und das Fluoreszenzsignal eines oder beider Proteine ist bei doppelpositiven Zellen deutlich schwächer. Diese und andere Daten dieser Arbeit weisen darauf hin, dass es sich um Neuroblasten handelt, welche gerade aus dem Zellzyklus austreten. In postmitotischen Neuronen geht PROX1 verloren. Obwohl PROX1 in allen untersuchten HH-Stadien stark in der Population proliferierender Neurone exprimiert wird, zeichnet sich ab E7 eine kleinere Population von Neuroblasten in S-Phase ab, welche kein PROX1 enthalten.
Die Vorläuferzellen von Ziliarganglien werden, ähnlich wie die der sympathischen Ganglien, durch BMP-Proteine zur Differenzierung angeregt (Müller und Rohrer, 2002). Aufgrund der Ähnlichkeiten in der Entwicklung beider Neuralleistenderivate wurde die Expression von PROX1 in dieser Dissertation auch in Ziliarganglien untersucht: Der Transkriptionsfaktor wird dort nur an E4 und E5 vereinzelt in Neuronen exprimiert und nahezu gar nicht in Vorläuferzellen. In späteren HH-Stadien ist PROX1 in Ziliarganglien nicht mehr nachweisbar.
Ebenfalls konnte hier gezeigt werden, dass PROX1 in primären sympathischen Ganglien an E3 (HH-St 21) in Vorläuferzellen exprimiert wird, welche bereits begonnen haben, sich zu Neuroblasten zu differenzieren. Noch bevor die Differenzierung dieser Zellen jedoch abgeschlossen ist, wird PROX1 transient herunterreguliert. Die entstehenden Neuroblasten treten in dieser Phase kurzzeitig aus dem Zellzyklus aus. Da sich die Größe der p27-negativen und der PROX1-positiven Population auch an E3 stark ähnelt, kann man schließen, dass die Zellteilung in den Neuroblasten erst bei erneuter PROX1-Expression wieder aufgenommen wird. Ab E5 ist PROX1 fast ausschließlich in Neuroblasten nachweisbar.
Eine Funktionsanalyse von PROX1 unter Kulturbedingungen und im Hühnerembryo sollte durch Knockdown und Überexpression zeigen, welchen Einfluss der Transkriptionsfaktor auf die Proliferation der Neuroblasten nimmt. Die Manipulation der PROX1-Expression hatte in vitro einen proproliferativen Effekt. In vivo unterschieden sich Knockdown und Überexpression aber nicht von der Kontrolle.
Zusammenfassend wurde in dieser Doktorarbeit die Expression von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen im Detail analysiert. Der Transkriptionsfaktor ist sowohl in Vorläuferzellen als auch in Neuroblasten nur transient vorhanden. Zwar konnte eine klare Korrelation zwischen der Expression von PROX1 und der Proliferation der sympathischen Neuroblasten festgestellt werden, allerdings konnte eine Wirkung von PROX1 auf die Proliferation durch Funktionsanalysen nur teilweise bestätigt werden. Zusammen weisen die Daten darauf hin, dass PROX1 eine Rolle in der Feinregulation der Proliferation spielt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.