Cholinergic influences on principal neurons in the ventral part of the cochlear nucleus in mongolian gerbil

Gillet, Charlène; Kuenzel, Thomas (Thesis advisor); Kampa, Björn Michael (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Lokalisierung einer Schallquelle im Raum kann für viele Tierarten überlebenswichtig sein. Dabei erfolgt die Richtungsortung von niederfrequenten Schallquellen durch eine Analyse der Ankunftszeitunterschiede eines Signals an den beiden Ohren. Dies erfordert Neurone mit der Fähigkeit, die zeitliche Feinstruktur eines Klangs präzise zu kodieren. Die "sphärischen Buschzellen" (en.: spherical bushy cells), die sich im vorderen Teil des Nukleus cochlearis befinden, sind auf niederfrequente Signale abgestimmte Neurone, die ihre Antworten an die Phase des Schallsignals koppeln. , Das bedeutet, die Zellen feuern Aktionspotentiale stets in einer spezifischen Phasenlage der Schallwelle und sind daher perfekt geeignet, um die Aufgaben der Kodierung der Feinstruktur niederfrequenter Signale auszuführen. Die sphärischen Buschzellen werden von Hörnervfasern durch riesige axosomatische Synapsen, die sogenannten Held‘schen Endkolben, innerviert. Sie geben ihre zeitliche Information dann an binaurale Kerne des auditorischen Hirnstamms weiter. Neben dieser starken aufsteigenden Erregung durch Hörnervenfasern erhält der Nukleus cochlearis jedoch auch absteigende cholinerge Fasern, sowohl aus auditorischen als auch aus nichtauditorischen Quellen. Der Einfluss der cholinergen Modulation auf sphärischen Buschzellen und auf das Hören im Allgemeinen ist jedoch noch wenig bekannt. Kombinierte elektrophysiologische Aufzeichnungen mit gleichzeitigen pharmakologischen und synaptischen Stimulationen zusammen mit immunhistochemischer Färbung wurden durchgeführt, um den Einfluss der cholinergen Modulation auf die sphärischen Buschzellen zu testen. Diese Experimente wurden in der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus) vorgenommen, einem Nagetier, von dem bekannt ist, dass es niederfrequente zeitliche Informationen zur Schalllokalisierung verwendet. Vor dieser Studie lagen jedoch keine Daten zum Held‘schen Endkolben in der Wüstenrennmaus vor. Kapitel 2 konzentriert sich daher auf die Charakterisierung der Eigenschaften der synaptischen Übertragung durch den Held‘schen Endkolben in der mongolischen Wüstenrennmaus. Die Ergebnisse wurden dann mit Messungen in der Maus (Mus musculus) verglichen. Der einzige Unterschied, der zwischen den beiden Arten beobachtet wurde, war eine höhere Anzahl von Vesikeln im schnell-freisetzbaren Pool der Held‘schen Endkolben bei den Wüstenrennmäusen. Dies bedeutet, dass eine vergrößerte Version der 4 Held‘schen Endkolben auszureichen scheint, um die spezialisierten Aufgaben der Ortung niederfrequenter Schallquellen durchzuführen. Kapitel 3, 4 und 5 konzentrieren sich auf die cholinerge Innervation und Modulation von sphärischen Buschzellen. Kapitel 3 berichtet, dass Carbachol, ein cholinerger Agonist, das Ruhemembranpotential dieser Zellen auf zwei verschiedenen Zeitskalen depolarisierte. Ein schneller und vorübergehender Effekt wurde durch nikotinische α7Rezeptoren vermittelt, während ein langsamer und lang anhaltender Effekt durch muskarinische Rezeptoren vermittelt wurde. Dies führte zu einer Erhöhung der neuronalen Erregbarkeit bei gleichzeitigem Erhalt der zeitlichen Präzision. Simulationen mit einem Computermodell der sphärischen Buschzellen deuteten an, dass dieser cholinerge Effekt den dynamischen Antwortbereich des Neurons erweitert. In Kapitel 4 fanden wir heraus, dass cholinerge Fasern den ventralen Nukleus cochlearis innervieren, bevor das Hören einsetzt, aber die Innervationsdichte nach P10 stark zunimmt. Darüber hinaus wurden Nikotinrezeptoren hauptsächlich in dendritischen Bereichen exprimiert, während sich M3-Muskarinrezeptoren überwiegend in somatischen Membranen befanden. In Kapitel 5 fanden wir, dass sowohl M1- als auch M2-Muskarinrezeptoren auch von sphärischen Buschzellen exprimiert wurden. Darüber hinaus beeinflusste die Aktivierung muskarinischen Rezeptoren sowohl hyperpolarisationsaktivierte Ströme als auch klassische MStröme. Interessanterweise wirkten die Effekte dieser beiden Ströme gegensätzlich auf das Membranpotential der Zellen. Abhängig von der relativen Stärke der jeweiligen Effekte konnte der cholinerge Einfluss in verschiedenen sphärischen Buschzellen sehr unterschiedlich sein. Diese Vielfalt von Modulationseffekten könnte eine zuverlässige zeitliche Codierung über einen weiten Bereich von natürlichen Klängen und Höraufgaben gewährleisten. Die stimulusabhängigen und -unabhängigen absteigenden cholinergen Einflüsse auf frühe Stationen der Hörbahn könnten so für eine weitere Anpassungsfähigkeit bei der Verarbeitung auditorischer Informationen sorgen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]