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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89825
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8982/


Optogenetic interrogation of prefrontal-hippocampal coupling in theneonatal mouse

Optogenetische Untersuchung von Präfrontal-Hippocampalen Netzwerken in der neonataler Maus

Ahlbeck, Joachim

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SWD-Schlagwörter: Hippocampus , Entwicklung , Präfrontaler Cortex , Optogenetik
Basisklassifikation: 44.00
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hanganu-Opatz, Ileana (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.01.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 13.02.2018
Kurzfassung auf Englisch: Directed oscillatory coupling within prefrontal-hippocampal networks underlies cognitive processing in adults. This communication emerges early in life, long before the maturation of mnemonic abilities, with discontinuous hippocampal theta bursts driving the initial oscillatory entrainment of local prefrontal networks via direct axonal projections. During development, the cellular substrates underlying the local entrainment of activity in prefrontal cortex as well as the directed long-range coupling within the prefrontal-hippocampal network is still poorly understood. To fill this knowledge gap we established a protocol that enables area-, layer, and cell-type specific transfection of optogenetic tools enabling the dissection of cellular interactions underlying network activity during the neonatal period.
The contribution of pyramidal neurons within the prefrontal cortex in generating local oscillatory activity was investigated by simultaneously recording electrophysiological activity in combination with optogenetic stimulation of excitatory pyramidal neurons confined in either Layer II/III or Layer V/VI in postnatal day 8 to 10 day old mice in vivo. We identified layer II/III pyramidal neurons in as a key component for the local entrainment of beta-gamma activity.
Further elucidation of the cellular components involved in the excitatory drive with prefrontal-hippocampal networks was also performed. We found that intermediate-ventral hippocampus is stronger coupled than dorsal hippocampus to prefrontal cortex. Furthermore, we show that the theta coupling within prefrontal-hippocampus networks are driven by CA1 area pyramidal neurons projecting to PFC, as frequency-specific activation at theta rhythm of intermediate-ventral CA1 area pyramidal neurons leads to entrainment of activity in prefrontal cortex.
Elucidation of the cellular substrates underlying the entrainment of oscillations during development is crucial for our understanding of their role in maturation and refinement of neural networks. The established protocol and the results presented here opens up new paths for investigation of network oscillations during development and could further aid our understanding of neurodevelopmental disorders.
Kurzfassung auf Deutsch: Im Erwachsenenalter unterliegen gerichtete oszillatorische Kopplungen innerhalb des präfrontal-hippokampalen Netzwerks kognitiven Prozessen. Diese Kommunikation entwickelt sich im frühen Leben, lang vor der Reifung der Gedächtnisfunktion, durch diskontinuierliche hippokampale Theta Ausbrüche von Aktivität, die das erste oszillatorische Entrainment von lokalen präfrontalen Netzwerken einer gerichteten axionalen Projektion vorantreiben. Während der Entwicklung sind die zellulären Mechanismen, die dem lokalen Entrainment der Aktivität im präfrontalen Kortex und der gerichteten weitreichenden Kopplung der präfrontal-hippokampalen Netzwerke unterliegen, immer noch kaum bekannt. Um diese Wissenslücke zu füllen haben wir ein Protokoll etabliert, das bereichs-, schicht- und zelltypspezifische Transfektionen von optogenetischen Methoden erlaubt, die wiederum die Analyse von zellulären Interaktionen ermöglichen, welche der neonatalen Netzwerkaktivität unterliegen.
Die Mitwirkung der Pyramidalneuronen bei der Generierung von lokaler oszillatorischer Aktivität innerhalb des präfrontalen Kortex wurde durch Ableitungen von elektrophysiologischer Aktivität in Kombination mit optogenetischer Stimulation von exzitatorischer Pyramidalneuronen in Schicht II/III oder V/VI an den postnatalen Tagen 8 bis 10 in vivo untersucht. Wir identifizierten Schicht II/III Pyramidalneuronen als Schlüsselkomponenten für das lokale Entrainment von Beta-Gamma Aktivität.
Weiterhin wurden zellulären Komponenten, die in die exzitatorische Steuerung innerhalb des präfrontal-hippokampalen Netzwerks involviert sind, untersucht. Wir fanden, dass der intermedial-ventrale Hippokampus stärker mit dem präfrontalen Kortex verbunden ist als der dorsale Hippokampus. Weiterhin zeigten wir, dass Theta Kopplung innerhalb des präfrontal-hippokampalen Netzwerks von CA1-Pyramidalneuronen gesteuert wird, die durch frequenzspezifische Aktivierung des Theta Rhythmus der intermedial-ventralen CA1-Pyramidalneuronen zum präfrontalen Kortex projizieren und das Entrainment der Aktivierung im präfrontalen Kortex steuern.
Die Untersuchung des zellulären Substrats, das dem Entrainment der Oszillation während der Entwicklung unterliegt, ist grundlegend für das Verständnis ihrer Rolle in der Entwicklung und der Verfeinerung neuronaler Netzwerke. Das etablierte Protokoll und die präsentierten Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg um Netzwerkoszillationen während der Entwicklung zu untersuchen und können dem Verständnis von neuronalen Entwicklungsstörungen beitragen.

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