Dokument: Characterisation of the neuronal microcircuitry and adenosine modulation of layer 6 neurons in rat medial prefrontal cortex

Titel:	Characterisation of the neuronal microcircuitry and adenosine modulation of layer 6 neurons in rat medial prefrontal cortex
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47807
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181212-093545-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ding, Chao [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 13,58 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.11.2018 / geändert 13.11.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Bauer, Andreas [Gutachter] Prof. Dr. Fahlke, Christoph [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Layer 6 of medial prefrontal cortex (mPFC) is a largely unexplored area with a very heterogenous cellular composition. Classification of excitatory and inhibitory neurons is crucial for understanding neural circuit dynamics. The characterisation of synaptic connectivity allows an insight of how mPFC microcircuitry processes and integrates complex information. In this study, single and dual whole-cell patch-clamp recordings with simultaneous biocytin-fillings were made from L6 excitatory, inhibitory and synaptically coupled neurons. Quantitative classifications were performed with excitatory neurons and inhibitory neurons by using principal component analysis and unsupervised cluster analysis. Two main clusters of L6 excitatory neurons were identified based on their dendritic morphology: (1) upright excitatory neurons with their primary or apical dendrites spanning superficial layers and terminating in L5 to L1 and (2) inverted/horizontally oriented excitatory neurons, which had primary dendrites pointing towards the white matter or oriented sideways. L6 interneurons were classified into three major categories that showed distinct axonal projection pattern: L1 inhibitors showed axonal projections similar to Martinotti-like cells extending to layer 1, L5 inhibitors displayed translaminar projections mostly to layer 5 and in layer 6, whereas L6 inhibitors were confined to layer 6. Moreover, our data suggested a correlation between morphological properties and intrinsic physiological properties with both excitatory and inhibitory L6 neurons. By using pair recordings, an extremely low connectivity ratio in L6 of mPFC (3.1%) was calculated and interestingly, we found that inverted excitatory neurons performed a higher preference in forming synaptic connections with other excitatory neurons compared with upright neurons. In general, our findings revealed different synaptic features of different types of synaptic connections in L6 of rat mPFC, providing a first insight into the complex organisation of the local L6 microcircuitry. The neuromodulator adenosine is considered to be a key regulator of sleep homeostasis by exerting a negative control on the arousal centre of the brain. Although the effects of adenosine on cortical and subcortical areas have been previously described, the effect of adenosine on neuronal network activity at the cellular level in mPFC remains unknown. Here, we showed that adenosine suppresses synaptic transmission of excitatory connections mainly by decreasing presynaptic neurotransmitter release. This inhibitory effect of adenosine is blocked by the specific A1 receptor antagonist, CPT, indicated that adenosine modulates synaptic transmission of excitatory connections through activation of adenosine A1 receptors. Moreover, the connections with different presynaptic neuron types showed varied sensitivity to adenosine, suggesting a functional difference between these neuron types. Die Lamina 6 (L6) des medialen präfrontalen Cortex (mPFC) is eine weitgehend unerforschte corticale Schicht, deren Neuronpopulation sehr heterogen ist. Um die Dynamik neuronaler Schaltkreise zu verstehen, ist eine Klassifizierung der exzitatorischen wie auch inhibitorischen Neuronentypen unerlässlich. Die Charakterisierung der neuronaler Konnektivität erlaubt es, Einsichten darüber zu gewinnen, wie die neuronaler Schaltkreise des mPFC komplexe Informationen verarbeiten und integrieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Patch-clamp Ableitungen mit simultanen Biocytinfüllungen von einzelnen Neuronen bzw. exzitatorischen oder inhibitorischen synaptischen Verbindungen durchgeführt. Mittels einer Hauptkomponenten-Analyse und anschließender unbewachter Cluster-Analyse wurde eine quantitative Klassifizierung der exzitatorischen und inhibitorischen Neurone durch geführt. Basierend auf der Morphologie der Dendriten wurden zwei Hauptgruppen von L6 exzitatorischen Neuronen identifiziert: (1) aufrechte Pyramidenzellen mit apikalen bzw. Primär-Dendriten die in Richtung der Pia projizierten und in L5 bis L1 endeten und (2) invertierte/horizontal orientierte Neurone, deren Primärdendrit in Richtung auf die weiße Substanz verlief oder horizontal orientiert war. Basierend auf ihrer atonalen Projektion konnten L6 Interneurone konnten in drei Hauptkategorien eingeteilt werden. L1 Inhibitoren besaßen ein Axon, das die L1 innovierte, ähnlich wie die sogenannten Martinotti-Zellen. L5 Inhibitoren zeigten eine translaminare atonale Projektion in L5 währen das Axon von L6 Inhibitoren weitgehend auf die L6 beschränkt war. Die Daten wiesen zudem darauf hin, dass die morphologischen and intrinsischen elektrophysiologischen Eigenschaften sowohl der exzitatorischen als auch der inhibitorischen L6 Neurone korrelierten. Paarableitungen zeigten, dass die synaptische Konnektivität von L6 Neuronen gering (3.1%) war; dabei erwies sich, das im Vergleich zu aufrechten Pyramidenzellen invertierte Neurone häufiger synoptische Kontakten mit anderen exzitorischen L6 Neuronen ausbildeten. Zusammenfassend konnten wir die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener synaptischer Verbindungen in L6 des mPFC, so daß diese Daten eine erste Übersicht über die komplexe Organisation der lokalen neuronaler Schaltkreise indexer kortikalen Schicht geben. Der Neuromodulator Adenosin wird als Regulator der Schlaf-Homöostase angesehen, der eine negative Kontrolle über die Wachzentren des Hirns ausübt. Auch wenn die Effekte von Adenosine sowohl in einigen kortikalen und subkortikalen Arealen bekannt sind, so ist dessen Wirkung auf die Aktivität des neuronaler Netzwerkes des mPFC auf zellulärem Niveau weitgehend unbekannt. Hier konnten wir zeigen, dass Adenosin die exzitatorische synaptische Transmission hauptsächlich durch Verminderung der präsynaptischen Neurotransmitterfreisetzung hemmt. Dieser inhibitorische Adenosin-Effekt konnte durch den spezifischen Antagonisten des Adenosin A1 Rezeptoren CPT gehemmt werden. Die Adenosin-Modulation der synaptischen Transmission exzitatorischer Verbindundungen wird somit durch Adenosin A1 Rezeptoren vermittelt. Darüber hinaus zeigte sich, das verschiedene präsynaptische Neurone eine unterschiedliche Adenosin-Sensitivität aufwiesen, was auf eine Neuron-Typ spezifische funktionelle Unterschiede hindeutet.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Medizin, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	12.12.2018
Dateien geändert am:	12.12.2018
Promotionsantrag am:	29.08.2018
Datum der Promotion:	30.10.2018