Characterization of synaptic connections and cholinergic modulation of layer 6A microcircuitry in rat barrel cortex

Yang, Danqing; Kampa, Björn M.; Feldmeyer, Dirk

doi:HT019879917

Characterization of synaptic connections and cholinergic modulation of layer 6A microcircuitry in rat barrel cortex

Yang, Danqing^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Danqing Yang

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (109 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230346
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/749817/files/749817.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/749817/files/749817.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
acetylcholine (frei) ; L6A (frei) ; neuronal microcircuitry (frei) ; patch-clamp recording (frei) ; pyramidal cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Von allen neocorticale Laminae ist Lamina 6 die bisher am wenigsten untersuchte Schicht; sie zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe neuronale Heterogenität und eine geringer synaptische Konnektivität aus. Die Axone der corticothalamische (CT) Pyramidenzellen in der Lamina 6 projizieren zu beiden somatosensorischen thalamischen Kerne, dem posterior-medialen (POM) und dem ventroposterioren (VPM) Thalamuskern. Sind so Teile eine thalamo-corticalen-thalamischen Rückkopplungsschleife die ein corticlen Signalfluß kontrolliert. In dieser Arbeit haben wir die strukturellen und funktionellen Eigenschaften exzitatorischer und inhibitorischer synaptischer Verbindungen Lamina 6 (L6) des somatosensorischen ‘barrel’ Cortex der Ratte mit Patch-clamp Paarableitungen und Biocytin-Füllungen untersucht. Die neuronale Morphologie wurde anschließen rekonstruiert und putative CT Zellen von corticocorticalen (CC) aufgrund ihrer unterschiedlichen Axonstruktur differenziert. Ein nicht-überwachte Cluster-Analyse wurde durchgeführt um GABAerge Interneurone in sogenannte schnell-feuernde (fast-spiking, FS) und nicht schnell-feuernde (non fast-spiking, nFS) Zellen basierend auf ihren elektrophysiologischen Eigenschaften wie Membranpotential und Feuerverhalten zu unterscheiden. Thus, different types of connections were identified based on pre- and postsynaptic neuronal subtypes. Intralaminare synaptische Verbindungen von L6A Neuronen besitzen nur eine niedrige Konnektivitätswahrscheinlichkeit von 6.5% (n=79). Dass eine L6 CC Pyramidenzelle in solchen Verbindungen prä- oder auch postsynaptisch sind, war erheblich höher als für CT Neurone. Synaptische Verbindungen mit einer präsynapischen CT Pyramidenzellen lösten postsynaptisch EPSPs mit deutlich kleinerer Amplitude, größerer ‘paired pulse rate’ (PPR), CV and Fehlerquote aus als in Verbindungen mit präsynaptischer CC Pyramidenzellen. Bei exzitatorische Verbindungen zwischen CC Neuronen und L6 Interneuronen, zeigten postsynaptische FS un nFS Interneuron synaptische Kurzzeit-Depression beziehungsweise -Faszilitierung. Auf der anderen Seite zeigten CT-Interneuron Verbindungen immer Kurzzeit-Faszilitierung unabhängig vom postsynaptischen Interneurontyp. In inhibitorisch-exzitatoischen Verbindungen lösten präsynaptische FS Interneurone eine ‘schnelle’ postsynaptische Antwort aus, mit kurzer Latenz und schneller Anstiegsphase während präsynaptische nFS Interneurone ‘langsame’ IPSPs auslösten, die eine signifikant längerer Latenz und Anstiegsphase zeigten. Reziproke synaptisch Verbindungen wurden nur zwischen L6A CC Pyramidenzellen und Interneuronen gefunden, nicht aber in Verbindungen mit einem prä- oder postsynaptischen CT Neuron. Azetylcholin (ACh) wird von Axonen des basalen Vorderhirns während unterschiedlicher Verhaltenszustände freigesetzt, so z.B. dem Erwachen und der Aufmerksamkeit; es zeigt dabei eine differenzielle Modulation neocorticaler Neurone via muskarinische und nikotinische ACh Rezeptoren. In dieser Arbeit untersuchten wir die cholinerge Modulation von CT und CC Pyramidenzellen in L6A des Barrel Cortex. Wir konnten zeigen, dass ACh neuronale Nertzwerk in L6A differrentiell moduliert idem des CT Pyramidenzellen andauernd depolarisert, CC Neurone dagegen hyperpolarisiert. Diese Effekte sind konzentrationzabhängig und werden durch M1 and M4 muskarinische ACh Rezeptoren vermittelt.ACh erhöht in L6A CT aber nicht in CC Pyramidalzellen die Frequenz von Miniatur-EPSCs via nikotinische ACh Rezeptoren. Um die ACh Effekte auf die synaptische Transmission genauer zu studieren, wurden eletrophysiologische Ableitungen von synaptisch gekoppelten L6A Pyramidenzellen durchgeführt. ACh vermindert die präsynaptische Neurotransmitter-Freisetzungswahrscheinlichkeit in neuronalen Schalkreisen mit einer präsynaptischen CC Pyramidenzelle durch Aktivierung von M4 muskarinische ACh Rezeptoren. Im Gegensatz dazu wurde bei präsynaptischen CT Pyramidenzellen eine Erhöhung der Freisetzungswahrscheinlichkeit durch Aktivierung von nikotinischen ACh Rezeptoren bewirkt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass zwei funktionell und morphologisch unterschiedliche Subpopulationen von L6A Pyramidenzellen differentiell durch ACh beeinflusst werden. Dies könnte möglicherweise zellulärer Mechanismus für die Modulation der intra- und subcorticale Signalübertragung bei Verhaltensveränderungen sein.

Of all neocortical layers, layer 6 is the least studied layer that shows a relatively high neuronalheterogeneity and low intralaminar connectivity. Layer 6A provides direct projections from corticothalamic(CT) pyramidal cells to both VPM and POM nucleus of the thalamus and are thus integral part of a thalamo-cortical-thalamic feedback loop that controls sensory signalling. In this study, we investigated anatomical and functional properties of L6A intra-laminar excitatory and inhibitory connections in L6A of rat barrel cortex by performing dual whole-cell recordings with simultaneousbiocytin fillings. The neuronal morphology was subsequently reconstructed and putative CT andcortico-cortical (CC) pyramidal cells were distinguished based on their distinct axonal projection patterns. An unsupervised cluster analysis were performed to classify FS and nFS interneurons based on their electrophysiological properties such as membrane properties and firing properties. Thus, different types of connections were identified based on pre- and postsynaptic neuronalsubtypes. The intralaminar connectivity of L6A neurons is low with a connectivity ratio of 6.5% (n=79).There is a much higher probability of a CC-like rather than a CT-like pyramidal cell being presynaptic as well as postsynaptic. In response to presynaptic APs elicited in CT-like pyramidal cells, EPSPs showed remarkably smaller amplitude, larger PPR, CV and failure rate recorded than those elicited by presynaptic APs in CC L6A pyramidal cells. For excitatory-inhibitory connections between CC cells and interneurons, FS and non-FS interneuron exhibited short-term depression and facilitation, respectively; while for connections between CT cells and interneurons, facilitated EPSPs were observed regardless of interneuron type. Moreover, we found that FS interneurons trigger a ‘fast’ postsynaptic response with short rise time and latency in excitatory neurons, whereas nFS interneurons display ‘slow’ kinetics by generating IPSPs with significantly longer rise time and latency. Notably, reciprocal connections were found only between two CC-like pyramidal cells orCC-interneurons, but not for connections involving a CT pyramidal cell. Acetylcholine (ACh) is released from the basal forebrain during different behavioural states, e.g. wakefulness and attention and differentially modulates neocortical neurons via both nicotinic and muscarinic ACh receptors. Here we investigated the cholinergic modulation of CT and CCpyramidal cells in layer 6A of the barrel cortex. We found that ACh differentially modulates theL6A microcircuitry by persistently depolarizing CT but hyperpolarizing CC L6A pyramidal cells, effects that are concentration-dependent and are mediated via M1 and M4 mAChRs, respectively. ACh application increases frequency of miniature EPSCs via presynaptic nAChRs in L6A CT but not CC pyramidal cells. To better understand the effects of ACh on intralaminar synaptictrans mission, recordings were performed from synaptically coupled L6A pyramidal cell pairs. We found that ACh suppresses presynaptic release in neuronal microcircuits with a presynaptic CCpyramidal cell via activation of M4Rs. In marked contrast, ACh increased the release probability inL6A connections with a presynaptic CT neuron through activating nAChRs. Our results reveal that two functionally and morphologically distinct subpopulations of L6A pyramidal cells are affected differentially by ACh indicating that intra- and subcortical signaling is subject to behavioural modulation.

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