Morphological and functional characterization of layer 5 neurons in rat medial prefrontal cortex, their synaptic microcircuitry and serotonin modulation

Rama, Ramya; Feldmeyer, Dirk (Thesis advisor); Spehr, Marc (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien = Key technologies 267
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Der mediale präfrontale Kortex (Cortex praefrontalis medialis, mPFC) ist ein Teil des Assoziationskortex, der der Verarbeitung und Integration von synaptischen Eingängen aus den sensorischen und motorischen kortikalen Arealen dient. Der mPFC spielt eine wichtige Rolle bei zahlreichen kognitiven Prozessen, so der Verarbeitung von Emotionen, dem exekutiven Handeln, der Entscheidungsfindung, der räumlicher Orientierung und dem Langzeitgedächtnis sowie der Impulskontrolle. Im Vergleich zu anderen kortikalen Arealen weist der mPFC eine besonders hohe Dichte an serotonergen Axonen auf, die dem dorsalen und medialen Raphe-Kernen (Nuclei raphes) entspringen; sie spielen eine entscheidende Rolle in der Regulation der Entwicklung und Funktion des Neokortex. Aus diesem Grunde ist eine grundlegende Kenntnis der Rolle von Serotonin (5-HT) und der Funktion seiner Rezeptoren (5-HTRs) im mPFC bei der Modulierung der kortikalen neuronalen Aktivität von entscheidender Bedeutung. In Nagern besitzen annähernd 60% aller Pyramidenzellen 5-HT1ARs oder 5-HT1BRs, insbesondere solche in Lamina 5 (L5) des mPFCs von denen ~80% beide Rezeptorsubtypen exprimieren. In früheren Studien wurden L5 Pyramidenzellen in zwei Gruppen eingeteilt; die erste Gruppe umfasst Pyramidenzellen, die Hirnareale innerhalb des Telencephalons wie den Neokortex, das limbische System und die Basalganglien innervieren. Die Pyramidenzellen der zweiten Gruppe projizieren dagegen in Hirnareale außerhalb des Telencephalons bis hinunter ins distale Rückenmark. Neben den Pyramidenzellen unterliegt die neuronal Aktivität des Neokortex auch der Kontrolle durch die verschiedenen Typen inhibitorischer Interneurone; die meisten dieser Interneurone exprimieren ebenfalls 5-HTRs. Pyramidenzellen und Interneurone in Lamina 5 bilden komplexes neuronales Netzwerk im mPFC. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels elektrophysiologischer Ableitungen mit der Patch-clamp Technik im Ganzzell-Modus sowie morphologischen Rekonstruktionen zwei unterschiedliche Pyramidenzell-Typen und drei Interneuron-Typen in Lamina 5 des mPFC identifiziert. Pyramidenzellen wurden in adaptiv-feuernde (adaptive-spiking, AS) und regulär-feuernde (regular-spiking, RS) Typen unterteilt, die den intra- und extratelencephalen Pyramidenzellen entsprechen. Basierend auf der maximalen Aktionspotentialfrequenz wurden L5 Interneurone in nicht-schnellfeuernde (non-fast-spiking, nFS), regulär-schnellfeuernde (regular fast-spiking, rFS) und intermittierend-schnellfeuernde (burst fast-spiking, bFS) Interneurone unterteilt. In dieser Arbeit zeigte 5-HT einen Zelltyp-spezifischen Effekt auf die elektrophysiologischen Eigenschaften von L5 Pyramidenzellen und Interneurone. 5-HT induzierte eine anhaltende Depolarisation von AS Pyramidenzellen mit hohem Eingangs-widerstand (Rin) jedoch eine Hyperpolarisation in AS Pyramidenzellen mit niedrigem Rin. Es zeigte sich bei den L5 Interneuronen des mPFC, dass 5-HT keinen Effekt auf nFS Interneurone zeigte, dagegen aber in rFS Interneuronen eine deutliche Depolarisation hervorrief. In bFS Interneuronen bewirkte 5-HT entweder eine Depolarisation oder eine Hyperpolarisation abhängig vom bFS Interneuron-Subtyp. In Pyramidenzellen wurde die 5-HT induzierte Depolarisation von 5-HT2ARs vermittelt, in Interneuronen jedoch von 5-HT3ARs; dagegen wurde die 5-HT evozierte Hyperpolarisation entweder über 5-HT1ARs oder 5-HT1BRs vermittelt. Es konnte auch gezeigt werden, dass die in RS Pyramidenzellen beobachtete transiente Hyperpolarisation auf einer Ca2+-abhängigen Aktivierung von Kalium-Kanälen mit geringer Einzellkanal-Leitfähigkeit (sogenannter ‘small-conductance’ K+-Kanäle; SK-Kanäle) basierte. Um die Effekte von 5-HT auf die synaptische Transmission zwischen verschiedenen Zelltypen zu untersuchen, wurden Paarableitungen von synaptisch gekoppelten Neuronenpaaren in Lamina 5 des mPFC durchgeführt. Durch Aktivierung von 5-HT1BRs verursachte 5-HT eine Verminderung der EPSP Amplitude bei allen synaptischen Verbindungen mit präsynaptischen AS oder RS L5 Pyramidenzellen. Gleichzeitig konnte eine damit einhergehende Erhöhung des sogenannten Verhältnisses zweier konsekutiver EPSPs (die sogenannte 'paired pulse ratio', PPR) beobachtet werden. Dies lässt vermuten, dass 5-HT durch Aktivierung auf den präsynaptisch Terminalien lokaliserten 5-HT1BRs die präsynaptische Freisetzung des Neurotransmitters Glutamat vermindert. Es konnte daneben auch gezeigt werden, dass bei einigen inhibitorischen synaptischen Verbindungen die Aktivierung präsynaptisch lokalisierter 5-HT3ARs eine Potenzierung der IPSP Amplitude bewirkten; eine Verminderung der IPSP Amplitude in inhibitorischen Verbindungen konnte dagegen auf präsynaptische 5-HT1ARs or 5-HT1BRs zurückgeführt werden.Zusammenfassend kann gesagt werden, die hier untersuchte 5-HT induzierte Modulation der verschiedenen L5 Pyramidenzellen und Interneurone einer Zell-spezifische Veränderung der Erregbarkeit bedingt, die die Funktion des neuronalen Netzwerke des mPFC entscheidend beeinflußt. Die Resulate dieser Arbeit können die Basis für eine weitere Erforschung der 5-HT vermittelten Neuromodulation und der zugrundeliegenden 5-HTRs in den verschiedenen Laminae des mPFC und anderen kortikalen Arealen bilden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]
• JARA-BRAIN [080010]
• Fachgruppe Biologie [160000]
• [535500-2]