Intrinsic oscillatory discharge patterns in mitral cells of the mouse accessory olfactory bulb

Gorin, Monika; Spehr, Marc

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-50823

Intrinsic oscillatory discharge patterns in mitral cells of the mouse accessory olfactory bulb = Intrinsische oszillatorische Entladungsmuster in den Mitralzellen des akzesorischen olfactorischen Bulbus in der Maus

Gorin, Monika

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Monika Gorin

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangII, 127 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Spehr, Marc (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-06-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50823
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444691/files/5082.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Riechkolben (Genormte SW) ; Elektrophysiologie (Genormte SW) ; Schwingung (Genormte SW) ; Maus (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Mitralzellen (frei) ; intrinische Oszillationen (frei) ; akzesorischer Bulbus (frei) ; mitral cells (frei) ; intrinisc oscillations (frei) ; accessory olfactory bulb (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die meisten Vertebraten, einschließlich Säuger, benutzen mehrere olfaktorische Subsysteme um mit der Umwelt zu interagieren. Akzessorisches olfaktorisches System (AOS) umgeht die thalamo-kortikale Achse und spielt die Hauptrolle bei sozialer Kommunikation und endokrinem Output. Entlang der Route der Informationsprozessierung im AOS, lediglich drei Synapsen trennen die chemische Detektion von einem hoch komplexen Verhaltensoutput. Innerhalb des Netzwerks im akzessorischen olfaktorischen Bulbus (AOB), Mitralzellen (aMC) sind die einzigen Prokjektionsneurone und demzufolge bilden sie eine entscheidende Prozessierungseinheit. In verschiedenen neuronalen Netzwerken ist die Synchronisation im Enladungsmuster, wie z.B. Oszillationen, instrumentell für den Informationsfluss. Allerdings sind die Entladungseigenschaften und potenzielle Oszillationen im AOB Netzwerk unbekannt. In meiner Dissertation habe ich daher die spontanen Entladungsmuster von aMC in Hirnschnitten untersucht. Mithilfe von elektrophysiologischen Ableitungen haben ich ein individuelles Entladungsmuster in einer Population (~30%) von aMC identifiziert. Diese Neurone zeigen langsame, unter der Schwelle bleibende Oszillationen des Membranpotentials mit darauf liegenden Bursts (Bündeln) von Aktionspotentialen. Ungeachtet der rostro-caudalen AOB Teilung, ich habe keine bevorzuge anatomische Lokalisierung von oszillierenden aMCs gefunden. Analyse von sowohl aktiven als auch passiven Membraneigenschaften zeigte keinen Unterschied zwischen oszillierenden und tonischen aMCs. Darüber hinaus, obwohl die quantitative Analyse von Oszillationen in aMCs eine beträchtliche Diversität zwischen den Neuronen zeigte, weder De- noch Hyperpolarization konnte das oszillatorische Muster in das tonische überführen. Des Weiteren habe ich den Ursprung der Oszillationen untersucht. Pharmakologische Inhibition der schnellen synaptischen Übertragung hat die Oszillationen nicht aufheben können. Stattdessen die Oszillationsperiodizität wurde regelmäßiger was auf ihre mechanistische Unabhngigkeit vom lokalen Netzwerk hindeutet. Darüber hinaus habe ich biophysikalische Eigenschaften den zugrunde liegenden Oszillationen analysiert. Ich habe mehrere ionische Leitfähigkeiten untersucht, welche eine potentielle Rolle in Generierung der Oszillationen spielen könnten. Meine Ableitungen zeigten INaP als eine potente Antriebskraft für die Oszillationen. Darüber hinaus zeigte ich einen stark modulatorischen Effekt von [Ca2+]e auf INaP und, demzufolge auf die Oszillationen. Überraschenderweise ist der klassische ‚Schrittmacher‘ Strom nicht an der Generierung der Oszillationen beteiligt. Zudem, aMCs fehlen die LVA Isoforms, sie exprimieren jedoch mehrere HVA Cav Kanäle. Trotz des breiten Repertoire von HVA Cav Kanälen, lediglich ICaR ist entscheidend für die Oszillationen durch die Kopplung von Ca2+ Einstroms mit der Aktivierung von Typ II BK KCa Kanälen, was folglich für die Burstterminierung notwendig ist. Zusammenfassend habe ich eine Population von aMCs identifiziert, welche ein langsames oszillierendes Entladunsmuster zeigen, das unabhängig vom lokalen Netzwerk ist. Ein komplexes Zusammenspiel von mehreren ionischen Leitfähigkeiten generiert die Oszillationen. Das rhythmische Entladungsmuster könnte eine wichtige Rolle bei ‚gain control‘ spielen und somit bei der Prozessierung der sensorische Informationen. Indem die Axone von aMCs zu den hypothalamischen Arealen projizieren, könnten die Oszillationen an der endokrinologischen Homöostase und Regulierung beteiligt sein. Meine Arbeit trägt somit zum mechanistischen Verständnis von Informationskodierung im AOS bei.

Most vertebrates, including mammals, use several olfactory subsystems to interact with their environment. Bypassing the thalamo-cortical axis, the AOS plays a predominant role in controlling social communication and endocrine output. Along the accessory olfactory route of information processing, only three synapses link semiochemical detection to complex behavioral outputs. Within the AOB network, aMCs are the only projection neurons and, thus, form a critical processing unit. In various central circuits, synchronized discharge patterns, such as oscillations, are instrumental to information flow. However, aMC discharge properties and potential oscillations in the AOB network are unknown. During my thesis, I investigated aMC spontaneous firing patterns in acute AOB slices. Using electrophysiological recordings, I first identified a unique discharge pattern in a population of aMCs (~30%). These neurons show slow subthreshold oscillations with superimposed AP trains. Despite the rostro-caudal AOB division, I found no preferred anatomical localization of oscillating aMCs. Analysis of both passive and active membrane properties revealed no differences between oscillating and tonic aMCs. Moreover, while quantitative analysis of aMC oscillations revealed considerable diversity between neurons, de- or hyperpolarization did not ‘switch’ between an oscillatory and tonic discharge profile. Second, I investigated the origin of aMC oscillations. Pharmacological block of glutamatergic and GABAergic transmission did not abolish oscillations. Instead, oscillation periodicity became more regular, revealing their mechanistic independence from the local network. Third, I analyzed the biophysical properties underlying aMC oscillations. I investigated multiple ionic conductances potentially involved in generating intrinsic oscillatory discharge. My recordings reveal INaP as a potent driving force for oscillations. Moreover, I show a strong modulatory effect of [Ca2+]e on INaP and, accordingly, on bursting behavior. Surprisingly, the classical ‘pacemaker’ current Ih is not involved in driving oscillations. Furthermore, while aMCs lack LVA channel isoforms, they express multiple HVA Cav channels. Despite this rich repertoire of HVA Cav channels, only ICaR is critically involved in aMC oscillations by coupling of Ca2+ influx to type II BK KCa channel activation and, accordingly, burst termination. Together, I show a novel population of aMCs that display distinctly slow oscillatory discharge, which is local network-independent. A complex interplay of multiple ionic conductances generates these oscillations. The observed rhythmic discharge patterns could play an important role in gain control and thus shape sensory information. As aMC axons project into hypothalamic areas, aMC oscillations may be involved in endocrine homeostasis and response regulation. Therefore, my data contribute to a mechanistic understanding of information coding in the AOS.

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