Structural and functional determinants of synaptic transmission and plasticity at layer 4 synapses in the neocortex

Klook, Kerstin Carina; Spehr, Marc; Lübke, Joachim

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-40702

Structural and functional determinants of synaptic transmission and plasticity at layer 4 synapses in the neocortex = Strukturelle und funktionelle Determinanten von synaptischer Transmission und Plastizität an Schicht 4 Synapsen im Neokortex

Klook, Kerstin Carina (Author)^RWTH*

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kerstin Carina Klook

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang112, XXV S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lübke, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Spehr, Marc (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40702
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82809/files/4070.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Exzitatorische Synapse (Genormte SW) ; Synapse (Genormte SW) ; NMDA-Rezeptor (Genormte SW) ; Schizophrenie (Genormte SW) ; Aminobuttersäure <gamma-> (Genormte SW) ; Glia (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; AMPA-Rezeptor (frei) ; Mausmodell (frei) ; AMPA-receptor (frei) ; mouse model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
rvk: MED 602f * MED 606f * PSY 205f * WW 1620 * WW 4120

Kurzfassung
Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Neuronen im Zentralnervensystem und repräsentieren die Schlüsselelemente für synaptische Transmission und Plastizität einer neuronalen Verbindung. In der vorliegenden Arbeit wurden Eingangssynapsen von morphologisch und physiologisch identifizierten exzitatorischen bedornten Sternzellen („spine stellate“ Neurone) in Schicht 4 des „Barrel“-Felds im somatosensorischen Kortex der adulten Ratte untersucht. Diese Neurone sind von hoher Bedeutung, da sie die erste Station kortikaler Signalverarbeitung von thalamokortikalen Afferenzen darstellen. Die Kenntnisse über die strukturellen und funktionellen Eigenschaften von intra- und translaminärer synaptischer Verbindungen der exzitatorischen Neuronen in Schicht 4 haben stetig zugenommen. Im Gegensatz dazu ist relativ wenig über die Struktur, insbesondere der quantitativen Geometrie, der kortikalen Eingangssynapsen bekannt. Synaptische Verbindungen dieser Schicht 4 Neurone sind durch eine hohe Effizienz gekennzeichnet, welche unter anderem durch die geringe Fehlerrate und dem niedrigen Koeffizienten der Variation ausgedrückt wird. Zum besseren Verständnis der funktionalen Charakteristika ist eine detaillierte Beschreibung aller Parameter der synaptischen Transmission und Plastizität von essentieller Bedeutung. Deshalb wurden in der vorliegenden Arbeit strukturelle Schlüsselelemente von Synapsen wie die Größe der präsynaptischen Endigung, die Anzahl und Größe der aktiven Zone, einem strukturellen Korrelat der Transmitter-Freisetzungsstelle und die Größe und Organisation des „Pools“ von synaptischen Vesikeln durch 3D-Rekonstruktionen basierend auf seriellen Ultradünnschnitten und elektronenmikroskopischen Bildern von Dendriten der exzitatorischen Neurone in Schicht 4 bestimmt. Außerdem wurde die Verteilung, Dichte und Ko-Lokalisation der glutamatergen Rezeptoren vom AMPA- und NMDA-Typ in Immunogold-markierten „Freeze Fracture Replica“ (Gefrierbruch) Präparaten analysiert und quantifiziert. Eingangssynapsen der exzitatorischen Neurone in Schicht 4 sind relativ kleine, kortikale Synapsen, unterscheiden sich aber substantiell in Größe und Form. Die Mehrheit der Synapsen besitzt eine große, perforierte oder nicht-perforierte aktive Zone. Die meisten synaptischen Vesikel befinden sich in einem Abstand von bis zu 150 nm von der aktiven Zone und deuten auf einen relativ großen „readily releasable“ und „recycling Pool“ hin. Eingangssynapsen in Schicht 4 sind von einem Netzwerk von Astrozyten umgeben. Feine Fortsätze der Astrozyten ragen bis zur aktiven Zone und verhindern deshalb wahrscheinlich einen Überschwemmen („spillover“) von Glutamat zu benachbarten Synapsen. Glutamaterge Rezeptoren vom AMPA- und NMDA-Typ sind an den postsynaptischen Dichten sowohl der dendritischen Schafts als auch der Spines lokalisiert, unterscheiden sich in ihrer Verteilung aber signifikant. Die Anzahl der NMDA-Rezeptoren übertrifft die der AMPA-Rezeptoren am dendritischen Schaft und ergibt eine Dominanz dieser NMDA-Rezeptor-Komponenten an diesen Synapsen. An Spines überwiegt der Anteil der AMPA-Rezeptoren und lässt darauf schließen, dass die schnelle exzitatorische Transmission an diesen Synapsen hauptsächlich von AMPA-Rezeptoren vermittelt wird wohingegen die Regulation von Kurzzeit-Plastizität hauptsächlich durch NMDA-Rezeptoren erfolgt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten zeigen, dass die strukturelle Geometrie und die Komposition der Subelemente zusammen mit der Dichte und Verteilung von glutamatergen Synapsen des AMPA- und NMDA-Typs die funktionellen Charakteristika der Neurone in Schicht 4 erklären. Klinische und experimentelle Studien demonstrieren, dass eine Fehlregulation der Funktion von NMDA-Rezeptoren und des glutamatergen Signalwegs eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie der Schizophrenie spielen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mausmodell für Schizophrenie, das nur 12% der NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors exprimiert, hinsichtlich der negativen, behandlungsresistenten Symptome der Krankheit untersucht.

Synapses are the contact sites between neurons in the central nervous system and represent the key elements for synaptic transmission and plasticity within a given connection. In the present study input synapses terminating on morphologically and physiologically identified spiny neurons in layer 4 of the “barrel field” of the adult rat somatosensory cortex were investigated. These neurons play a key role in cortical information processing since they are the main recipients of sensory signals from the rat whisker pad. The knowledge about structural and functional properties of intra- and translaminar synaptic connections of layer 4 neurons of the somatosensory cortex has steadily increased. In contrast, relatively little is known about the structure of cortical synapses terminating on layer 4 excitatory neurons, in particular their quantitative geometry. Synaptic connections between L4 excitatory neurons, namely between spiny stellate neurons, are one of the most powerful connections in the neocortex as indicated by a low coefficient of variation and a very low failure rate. To understand these functional characteristics a detailed morphological description of those parameters underlying synaptic transmission and plasticity is an essential pre-requisite. Therefore, structural key elements of synapses such as the size of synaptic boutons, the number and size of active zones, the structural correlate of transmitter release sites, and the size and organization of the pool of synaptic vesicles were obtained from 3D reconstructions based on serial ultrathin sections and digital electron microscopic images through the dendritic domain of layer 4 excitatory neurons. Furthermore, using Freeze Fracture Replica preparations combined with postimmunogold-labelling the abundance, density, and co-localization of AMPA- and NMDA-receptor subunits at these synapses were analyzed and quantified. Input synapses terminating on dendrites of excitatory layer 4 spiny neurons are relatively small cortical synapse that varied substantially in size and shape. The majority of synapses contained a large, but a single active zone with a perforated and/or nonperforated appearance. Most synaptic vesicles were found within a 150 nm perimeter of the active zone suggesting a relatively large readily releasable and recycling pool. Layer 4 input synapses were ensheathed by a network of astrocytes. Astrocytic processes were seen to reach the active zones as far as the synaptic cleft. The presence of fine glial processes at active zones is therefore likely to prevent glutamate spillover and as a consequence synaptic cross-talk. Glutamatergic receptors from the AMPA- and NMDA-type are present at shaft and spine post-synaptic densities. However, on shaft postsynaptic densities the NMDA-receptors outnumber the AMPA-receptors significantly, resulting in a dominance of the NMDA-receptor component at these synapses. Spine postsynaptic densities are significantly more occupied by AMPA- than NMDA-receptors suggesting that the fast excitatory synaptic transmission at spine postsynaptic densities is mainly mediated by AMPA-receptors rather than by the NMDA-receptor. The results of the present study clearly demonstrated that the structural geometry and the composition of subelements together with the density and distribution of glutamate receptors of the AMPA- and NMDA-type underlie the unique functional characteristics of layer 4 synapses. Clinical and experimental evidence suggest a dysregulation of NMDA-receptor function and glutamatergic pathways in the pathophysiology of schizophrenia. A mouse model for schizophrenia which only expresses 12% of the NR1-subunit of the NMDA-receptor was behaviorally characterized and pharmacologically treated with respect to the negative symptoms of the disorder that are mostly treatment-resistant.

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