Morphological and functional characterisation of non-fast spiking interneurons in layer 4 microcircuitry of rat barrel cortex

Sivarajan, Vishalini; Kampa, Björn M.; Feldmeyer, Dirk

doi:HT019270874

Morphological and functional characterisation of non-fast spiking interneurons in layer 4 microcircuitry of rat barrel cortex = Morphologische und funktionelle Charakterisierung von adaptierend feuernden Interneuronen in Schicht 4 des ‘Barrel’-Kortex der Ratte

Sivarajan, Vishalini

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Vishalini Sivarajan

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (120 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Feldmeyer, Dirk (Thesis advisor) ; Kampa, Björn M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-02-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02686
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686181/files/686181.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686181/files/686181.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
barrel cortex (frei) ; GABAergic interneurons (frei) ; non-fast spiking (frei) ; layer 4 (frei) ; morphological reconstructions (frei) ; patch clamp electrophysiology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
GABAerge Interneurone sind berüchtigt für ihre Heterogenität ungeachtet ihres kleinen Anteils an der neuronalen Population im Neokortex. Sie bilden ein komplexes und dynamisches Netzwerk welches die Erregung und Hemmung des Neokortex im Gleichgewicht hält. Eine Klassifizierung von Interneuronen ist daher essentiell um ihre Funktion im Neokortex im Detail zu verstehen. In dieser Studie haben wir die unterschiedlichen Typen von nicht-schnell feuernden (nFS) Interneuronen mittels Patch-Clamp Ganzzell-Ableitungen und intrazellulärer Biocytin-Füllung in Lamina 4 (L4) des somatosensorischen Barrel Kortex der Ratte untersucht. Wir konnten drei morphologische und drei physiologische Cluster von L4 nFS Interneuronen mittels nicht-überwachter, hierarchischer Clusteranalysen identifizieren. Laterale, intra-kolumnäre und extra-granuläre Projektions-Interneurone wurden so aufgrund quantitativer morphologischer Parameter klassifiziert. Ein charakteristisches Merkmal der lateralen Projektions-Interneurone ist eine starke axonale Kollateralisierung in angrenzenden Barrel-Feldern. Dies könnte auf eine direkte Inhibition benachbarter Barrel-Felder hinweisen und ein anatomisches Korrelat für die laterale Inhibition benachbarter kortikaler Kolumnen in Lamina 4 dienen. Aufgrund des Feuerverhaltens konnten die L4 nFS Interneurone in adaptierende, nicht-adaptierende und irregulär feuernde Zelltypen klassifiziert werden. Eine molekulare Identifikation von L4 nFS Interneurone hat gezeigt, dass die meisten Interneurone Somatostatin exprimieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir verschiedene morphologische und elektrophysiologische Eigenschaften von L4 nFS Interneurone charakterisiert haben, welche erstmalig Erkenntnisse über deren funktionelle Relevanz in der kortikalen Informationsverarbeitung liefern konnten.Mittels elektrophysiologischen Paarableitungen wurden monosynaptische Schaltkreise untersucht in denen L4 nFS Interneurone involviert sind. Wir konnten nachweisen, dass nFS Interneurone schwache synaptische Verbindungen ausbilden und eine geringe Wahrscheinlichkeit der Neurotransmitter-Freisetzung haben. Diese Verbindungen zeigten durchweg eine Fazilitierung der EPSP Amplitude bei repetitiver Stimulation. Dies unterscheidet sich deutlich von FS Interneuronen, welche starke synaptische Verbindungen ausbilden und ausnahmslos eine EPSP Depressionen nach repetitiver Stimulation zeigen, d.h. eine hohe Wahrscheinlichkeit der Neurotransmitter-Freisetzung besitzen. Neurogliaforme Zellen sind die einzige Gruppe von nFS Interneuronen, die eine starke EPSP Depression aufweisen. Unsere Studie hat gezeigt, dass der Interneurontyp die Kurzzeitplastizität von sowohl exzitatorischen als auch inhibitorischen synaptischen Verbindungen determiniert. Dies ist unabhängig davon ob das Interneuron das prä- oder postsynaptische Neuron in dieser Verbindung ist. Die Kurzzeitplastizität von synaptischen Verbindungen zwischen inhibitorischen Neuronen wird ausschließlich vom präsynaptischen Interneuron-Typ bestimmt. Unsere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass nFS Interneurone integrale Elemente der neuronalen Schaltkreise in Lamina 4 sind und eine hohe Konnektivität sowie spezifische synaptische Eigenschaften besitzen.

GABAergic interneurons are notorious for their heterogeneity, despite constituting a small fraction of neuronal population in the neocortex. Classification of interneurons is crucial for understanding their widespread cortical functions providing a complex and dynamic network balancing excitation and inhibition. In this study, we investigated different types of non-fast spiking (nFS) interneurons in layer 4 (L4) of the rat barrel cortex using whole-cell patch clamp recordings with biocytin filling. Three morphological and three electrophysiological clusters of L4 nFS interneurons were identified using unsupervised clustering methods based on quantitative morphological and electrophysiological parameters. Lateral, intra-columnar and extra-granular projection interneurons were identified based on morphological properties. The characteristic feature of lateral projection interneurons is the extensive axonal collateralisation in adjacent barrels, which suggests a direct inhibition to neighbouring barrels, and may form an anatomical correlate to lateral inhibition in layer 4. Based on the firing pattern, L4 nFS interneurons were classified into adapting, non-adapting and irregular firing types. Molecular identification of L4 nFS interneurons revealed that most, but not all of them expressed somatostatin. In conclusion, we characterised different morphological and electrophysiological properties of L4 nFS interneurons, which provides insights into their functional relevance in cortical information processing.In addition, we also characterised the synaptic circuits involving nFS interneurons in L4 using paired recording technique. We were able to show that nFS interneurons establish weak synaptic connections with a low neurotransmitter release probability and small amplitude, and the connections showed paired-pulse facilitation. This is markedly different from FS interneurons, which form strong synaptic connections that exhibit invariably paired-pulse depression and thus have a high release probability. Neurogliaform cells are the only nFS interneuron group that showed strong paired pulse depression. From our study it appears that interneurons govern the short-term plasticity of synaptic connections involving excitatory and interneurons, irrespective of them being pre- or postsynaptic neuron. The paired pulse behaviour of synaptic connections between inhibitory neurons are governed only by the presynaptic interneuron type. Our findings reveal that nFS interneurons are integral elements of the L4 microcircuitry that exhibit very distinct connectivity patterns, functional roles and computational properties in the neocortical neuronal network.

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