Contribution of somatostatin interneurons to correlated neuronal activity in the developing hippocampus

Floßmann, Tom GND

Frühe korrelierte neuronale Aktivität tritt in Form synchroner Bursts von Aktionspotentialen in großen Zellpopulationen und in allen Teilen des sich entwickelnden Gehirns auf. Eine wachsende Zahl an Studien legt nahe, dass synchrone Aktivität einen wichtigen Beitrag zur Reifung des neuronalen Netzwerks leistet und dabei auftretende Störungen zur Fehlentwicklung des Nervensystems führen. Aus diesem Grund ist ein mechanistisches Verständnis der Generierung korrelierter neuronaler Aktivität von großer Bedeutung für die klinische Forschung. Im unreifen Hippokampus tritt synchrone Aktivität kurz nach der Geburt auf und ist hochgradig von der depolarisierenden Wirkung bei synaptischer GABAA-Rezeptor-Aktivierung abhängig. Interneurone, die GABA freisetzen, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit an der Burst-Generierung beteiligt. Welche der anatomisch hochgradig heterogenen Subtypen GABAerger Interneurone an der Generierung korrelierter Aktivität im unreifen Hirn beteiligt sind, ist bislang nur unvollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Dissertation wird der Beitrag der Somatostatinexprimierenden (SOM)-Interneurone an korrelierter neuronaler Aktivität im sich entwickelnden Hippokampus untersucht. Um die zugrundeliegenden synaptischen Mechanismen zu analysieren, kamen elektrophysiologische und optische Techniken an akuten hippokampalen Hirnschnitten von neonatalen Mäusen zum Einsatz. In einem transgenen Tiermodell wurde die Beteiligung von entweder glutamatergen Pyramidenzellen oder GABAergen SOM-Interneuronen an synchroner Aktivität mithilfe zellspezifischer Expression des Kalziumfarbstoffs GCaMP6s und schneller konfokaler Kalziumbildgebung sowie paralleler Ableitung des lokalen Feldpotentials untersucht. Es wurde gezeigt, dass beide Populationen während neuronaler Bursts spontan und hochgradig korreliert aktiv sind. Mittels der Expression des optisch-aktivierbaren Natriumkanals Channelrhodopsin 2 (ChR2) in SOM-Interneuronen (SOMChR2) wurden Aktionsströme optogenetisch induziert. Elektrophysiologische Messungen zeigten, dass die Photoaktivierung von SOM-Interneuronen eine GABAA-Rezeptor-abhängige synaptische Erregung von Pyramidenzellen zur Folge hat, die vom Chlorid-Importer NKCC1 abhängig ist. In Ableitungen von Pyramidenzellen mithilfe von Kalziumbildgebung wurde zudem gezeigt, dass die Photoaktivierung von SOMChR2 korrelierte Netzwerkaktivität ähnlich der Spontanaktivität induziert. Komplementär Zusammenfassung 4 wurde unter Verwendung einer optogenetischen Strategie zur Hemmung von SOMInterneuronen der Beitrag der spontanen Feuerrate dieser Nervenzellpopulation zur Burst-Generierung untersucht. Zu diesem Zweck wurden transgene Mäuse eingesetzt, welche die lichtgetriebene Chlorid-Pumpe eNpHR3.0 (HR3), ein molekulargenetisch optimiertes Halorhodopsin-Konstrukt, in SOM-Interneuronen (SOMHR3) exprimieren. Die Photoinhibition von SOMHR3 wurde für langanhaltende Hyperpolarisation der Zellen optimiert und reduzierte effektiv die spontane Feuerrate der SOM-Interneurone. Elektrophysiologische Messungen von Pyramidenzellen ergaben, dass die Photoinhibition von SOMHR3 eine Reduktion der Burst-Aktivität im Pyramidenzellband der CA1 Region des neonatalen Hippokampus zur Folge hat. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass SOM-Interneurone durch präsynaptisches spontanes Feuern von Aktionspotentialen und eine erregende postsynaptische GABAA-Rezeptor Aktivierung in glutamatergen Pyramidenzellen die korrelierte Netzwerkaktivität im sich entwickelnden Hippokampus antreiben. Die hier gefundenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum mechanistischen Verständnis spontaner korrelierter Aktivität und der aktivitätsabhängigen Hirnreifung.

Spontaneous correlated neuronal activity fine-tunes the developing brain and disturbances thereof may cause severe neurodevelopmental disorders. Hence, understanding the underlying mechanisms of early neuronal activity instructing the neuronal circuitry is a key for research of diseases and clinical prevention. In the immature hippocampus correlated bursts of neuronal activity occur at early perinatal stages and are highly dependent on a depolarizing postsynaptic current upon γ-amino-butyric-acid (GABA) gated ionotropic receptor (GABAAR) activation. The contribution of GABA-releasing interneuronal subpopulations to the mechanism of burst generation remains elusive. In the present work, the GABAergic subpopulation of somatostatin-expressing (SOM) interneurons and its role in spontaneous correlated neuronal activity is investigated in the developing hippocampus. To dissect the underlying synaptic mechanisms, electrophysiological and optical techniques were applied in acute hippocampal brain slices from neonatal mice. In a transgenic approach the participation of either glutamatergic pyramidal cells or GABAergic SOM interneurons during bursts were elucidated by the expression of the genetic Ca2+ indicator GCaMP6s and fast confocal Ca2+ imaging with parallel local field potential recordings. It was shown that both populations are during burst activity in a highly correlated manner. A light-gated Na+ channel, channelrhodopsin 2 (ChR2), was utilized in a SOM interneuron specific transgenic mouse model (SOMChR2) to evoke photo-activated action potential firing in this population. Electrophysiological measurements revealed a GABAAR-dependent synaptic connectivity with glutamatergic pyramidal cells in the CA1 pyramidal cell layer and an excitatory depolarizing mode of action at the postsynapses dependent on Cl–importer NKCC1. Furthermore, Ca2+ imaging from the pyramidal cell layer revealed that photo-activation of SOMChR2 evokes correlated neuronal activity reminiscent of spontaneous bursts. To elucidate the contribution of spontaneous action potential firing in SOM interneurons to burst generation, the light-activated chloride pump halorhodopsin (eNpHR3) was expressed under control of the SOM promoter (SOMHR3) in transgenic mice. Photo-stimulation of SOMHR3 was optimized for stable hyperpolarizing currents and effectively inhibited spontaneous action potential firing in SOM interneurons. Electrophysiological recordings from pyramidal cells revealed that photo-inhibition of SOM interneurons reduced burst activity in CA1 pyramidal cells. The mechanism of burst population dynamics was interpreted by a recurrent neural network model. Modeling the experimental findings revealed that tonic or temporally patterned GABA release from SOM interneurons elevates the activity level of the network due to the excitatory action of GABA towards a threshold and thereby either increases the probability of burst generation or simply triggers burst activity. In conclusion, the present work shows that SOM interneurons drive correlated activity in the developing hippocampus depending on spontaneous action potential firing of presynaptic SOM interneurons and depolarizing postsynaptic GABAAR activation in glutamatergic pyramidal cells. The results provided here causal understanding of correlated neuronal activity with important implications for activity-dependent brain maturation.

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Floßmann, Tom: Contribution of somatostatin interneurons to correlated neuronal activity in the developing hippocampus. Jena 2019.

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