Homeostatic plasticity and the formation of neuronal assemblies in the rat hippocampus in vitro
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Multi-Elektroden-Ableitungen (MEA) unter in vitro und in vivo Bedingungen erlauben die simultane Registrierung von vielen Neuronen im cerebralen Cortex von Kleinnagern mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung und einer zumindest schichtenspezifischen räumlichen Auflösung. Da erregende und hemmende Nervenzellen an ihren extrazellulär registrierten Aktionspotentialmustern identifiziert werden können, sind neuronale Aktivitätsmuster auch in ihrer Zelltyp-spezifischen Zusammensetzung beschreibbar. An einem thalamocorticalen in vitro Präparat und unter in vivo Bedingungen haben wir mittels MEA mit bis zu 128 Elektroden die extrazellulären Aktionspotentiale von 50-80 Neuronen gleichzeitig gemessen. Sowohl die in vitro als auch die in vivo Experimente haben gezeigt, dass inhibitorische Interneurone, insbesondere in Schicht 4 des Cortex, eine Reihe von funktionellen Besonderheiten aufweisen, die diesem Zelltyp für die intracorticale Verarbeitung von sensorischer Information eine Schlüsselrolle zukommen lassen. Im Vergleich zu allen anderen neocorticalen Neuronen, antworten inhibitorische Interneurone in Schicht 4 auf eine thalamocorticale Aktivierung mit der kürzesten Latenz, der grössten Präzision und mit der höchsten Aktionspotentialfrequenz. Diese Zellen kodieren mit dem höchsten Informationsgehalt den Ort der sensorischen Aktivierung (hier: das stimulierte Vibrissen-Sinneshaar). Gemeinsam mit inhibitorischen Neuronen der Schicht 5a kodieren inhibitorische Interneurone der Schicht 4 weiterhin mit dem höchsten Informationsgehalt die Eigenschaften der sensorischen Stimulation (hier: Frequenz der Vibrissenstimulation). Zudem sind inhibitorische Interneurone überproportional häufig an frühen Phasen von räumlich-zeitlich korrelierten Aktivitätmustern beteiligt, was auf eine zentrale Rolle dieses Zelltyps bei der Kontrolle der räumlichen und zeitlichen Propagation von neuronaler Aktivität hinweist. Unsere Analysen zeigten weiterhin, dass inhibitorische Nervenzellen in allen Schichten im Vergleich zu den exzitatorischen Neuronen, die zahlenmäßig weit überwiegen, sensorische Information stärker und rascher kodieren. Der Informationsgehalt in exzitatorischen Neuronen weist also ein grösseres Maß von Redundanz auf. Nur ein kleiner Teil von exzitatorischen Neuronen, die keine schichtenspezifische Verteilung oder funktionelle Beseonderheiten aufweisen, weist einen ähnlich hohen Informationsgehalt wie die inhibitorischen Nervenzellen auf. Unsere in vitro und in vivo Studien haben die zentrale funktionelle Bedeutung von inhibitorischen Interneuronen, insbesondere in Schicht 4 des cerebralen Cortex, bei der neuronalen Informationsverarbeitung sensorischer Reize verdeutlicht. Zukünftige Studien können die Funktion inhibitorischer Zellen bei Verhaltens-relevanten Aufgaben bei wachen Tieren detaillierter aufklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010) Field Potential Signature of Distinct Multicellular Activity Patterns in the Mouse Hippocampus. J Neurosci. 30(2): 15441-15449
Reichinnek S, Künsting T, Draguhn A, Both M
- (2011) Cellular correlate of assembly formation in oscillating hippocampal networks in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 108(35): E607-E616
Bähner F, Weiss EK, Birke G, Maier N, Schmitz D, Rudolph U, Frotscher M, Traub RD, Both M, Draguhn A
- (2012) Reliable optical detection of coherent neuronal activity in fast oscillating networks in vitro. NeuroImage. 60(1): 139-152
Reichinnek S, von Kameke A, Hagenston AM, Freitag E, Roth, FC, Bading H, Hasan MT, Draguhn A, Both M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.12.018) - (2013) Cholinergic plasticity of oscillating neuronal assemblies in mouse hippocampal slices. PLoS One 8(11):e80718
Zylla MM, Zhang XM, Reichinnek S, Draguhn A, Both M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0080718) - (2013) Different functions of hyperpolarization-activated cation channels for hippocampal sharp waves and ripples in vitro. Neuroscience. 228:325-333
Kranig S, Duhme N, Reichinnek S, Waldeck C, Draguhn A, Reichinnek S, Both M
- (2013) Effects of the GABA-uptake blocker NNC-711 on spontaneous sharp wave-ripple complexes in mouse hippocampal slices. Hippocampus 23(5):323-329
Viereckel T, Kostic M, Bähner F, Draguhn A, Both M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/hipo.22104) - (2014) Choline-Mediated Modulation of Hippocampal Sharp Wave-Ripple Complexes in vitro. J Neurochem. 129(5):792-805
Fischer V, Both M, Draguhn A, Egorov AV
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jnc.12693) - (2014) Lamina-specific contribution of Glutamatergic and GABAergic potentials to hippocampal sharp wave-ripple complexes. Front Neural Circuits. 8:103
Schönberger J, Draguhn A, Both M
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fncir.2014.00103) - (2014) Optimized temporally deconvolved Ca2+ imaging reveals structural organization of CA1 hippocampal ensembles. NeuroImage. 94:239-249
Pfeiffer T, Draguhn A, Reichinnek S, Both M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.03.030) - (2015) Activity-dependent plasticity of mouse hippocampal assemblies in vitro. Front Neural Circuits. 9:21
Keller MK, Draguhn A, Both M, Reichinnek S
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fncir.2015.00021)
