Charakterisierung panglialer Kommunikationsmechanismen im Bulbus olfactorius der Maus (Mus musculus L.)

Abstract

Das olfaktorische System umfasst ein hochspezialisiertes System, welches die lebenslange Ausdifferenzierung und Axogenese der olfaktorischen Rezeptorneurone sowie deren Integration in bestehende neuronale Netzwerke erlaubt. Die Basis dieser speziellen Eigenschaften bildet mutmaßlich die komplexe interzelluläre Kommunikation unterschiedlicher Zellpopulationen im Bulbus olfactorius, u.a. der exklusiv im olfaktorischen System vorkommenden olfaktorischen Hüllgliazellen (OECs). In dieser Arbeit wurde die interzelluläre Kommunikation der Axone der olfaktorischen Rezeptorneurone und OECs (Kapitel 1) sowie die pangliale Interaktion zwischen OECs und Astrozyten (Kapitel 2) mittels Ca2+-Imaging und Elektrophysiologie untersucht. Darüber hinaus wurde die Interaktion von OECs mit dem lokalen Blutgefäßsystem geprüft und die zelluläre Organisation der Blut-Hirn-Schranke in der olfaktorischen Nervenfaserschicht mit Hilfe von Immunhistochemie charakterisiert (Kapitel 3). Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konnten die folgenden Erkenntnisse gewonnen werden: I. Die extrasynaptische Glutamatfreisetzung der Axone der olfaktorischen Rezeptorneurone induziert AMPA-Rezeptor-vermittelte Ca2+-Transienten in OECs. Diese basieren vermutlich auf dem direkten Ca2+-Einstrom durch die Aktivierung Ca2+- permeabler AMPA-Rezeptoren. Das entstehende Ca2+-Signal wird mittels Ca2+- induzierte Ca2+-Freisetzung aus intrazellulären Ca2+-Speichern amplifiziert (Kapitel 1). II. OECs und Astrozyten sind in panglialen gap-junction-gekoppelten Netzwerken organisiert, welche den direkten Transfer von elektrischen Signalen erlauben. Darüber hinaus dient die Propagation von Ca2+-Transienten innerhalb des Netzwerks der interzellulären Kommunikation. Der Transfer von Ca2+-Transienten von Astrozyten zu OECs vermittelt die Vasokonstriktion eines OEC-assoziierten Blutgefäßes (Kapitel 2). III. Die olfaktorische Nervenfaserschicht (ONL) weist sublaminäre Unterschiede bezüglich der zellulären Organisation der Blut-Hirn-Schranke auf. Während OECs im äußeren ONL direkt mit Blutgefäßen in Kontakt stehen, umhüllen astrozytäre Endfüßchen entsprechende Blutgefäße im inneren ONL. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Ca2+-Transienten in OECs des äußeren ONL Vasokonstriktionen assoziierter Blutgefäße vermitteln, während Ca2+-Transienten in OECs des inneren ONL keinen Einfluss auf den Blutgefäßdurchmesser nehmen (Kapitel 3).

The olfactory system is a highly specialized system allowing the lifelong differentiation and axogenesis of olfactory sensory neurons as well as their integration into existing cellular networks within the olfactory bulb. These properties are highly promoted by olfactory ensheathing cells (OECs) and complex communication mechanisms between OECs and other cell populations of the system. This study focusses on intercellular communication of axons of olfactory sensory neurons and OECs (Chapter 1) as well as panglial interaction between OECs and astrocytes (Chapter 2) using Ca2+ imaging and electrophysiology. Additionally, this study investigates the interaction of OECs and the local vasculature as well as the cellular organization of the blood brain barrier in the olfactory nerve layer by immunohistochemistry. Based on the results of this thesis the following insights were obtained: I. Ectopic glutamate release by the axons of olfactory sensory neurons induces AMPA receptor-mediated Ca2+ transients in OECs. AMPA receptor-mediated Ca2+ transients in OECs presumably originate from a direct Ca2+ influx by activation of Ca2+-permeable AMPA receptors. The Ca2+ response is amplified by Ca2+-induced Ca2+ release from intracellular Ca2+ stores (Chapter 1). II. OECs and astrocytes are organized in panglial gap junction-coupled networks, enabling the transfer of electrical signals. Additionally, Ca2+ transients are transferred within the network, establishing panglial communication between OECs and astrocytes. Panglial Ca2+ transients in OECs result in vasoconstriction of associated blood vessels in the olfactory nerve layer (Chapter 2). III. The cellular organization of the blood brain barrier in the olfactory nerve layer shows sublamina-specific differences. Whereas OECs are part of the blood brain barrier in the outer sublamina of the ONL, astrocyte endfeet enwrap blood vessels in the inner ONL. Moreover, Ca2+ signaling in OECs mediate local vasoconstriction of blood vessels only in the outer ONL, whereas Ca2+ wave propagation in OECs of the inner ONL does not affect blood vessel diameter (Chapter 3).