Dokument: Lateral sodium diffusion in dendrites of CA1 pyramidal neurons
| Titel: | Lateral sodium diffusion in dendrites of CA1 pyramidal neurons | |||||||
| Weiterer Titel: | Laterale Natriumdiffusion in Dendriten von CA1 Pyramidenzellen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=68083 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20260205-092646-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Nelson, Joel Sean Elliot [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter] Prof. Dr. Reiner, Andreas [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | During glutamatergic synaptic transmission in the vertebrate brain, the influx of sodium ions (Na+) through ligand-gated ion channels drives the depolarization of the postsynaptic neuron. A fast clearance of Na+ from its point of entry is crucial for the cell, as prolonged increases in intracellular Na+ concentrations ([Na+]i) lead to persistent depolarizations and a breakdown of Na+-dependent secondary transport processes. Such local dendritic Na+ increases are mainly cleared via fast lateral diffusion. While it is known that the diffusional dynamics of molecules and ions such as Cl- are severely slowed, e.g. due anomalous diffusion in spiny dendrites, studies addressing the properties of Na+ diffusion along dendrites are still lacking. To fill this gap, this study focused on the diffusional dynamics of Na+ in dendrites of CA1 pyramidal neurons. This study thereby firstly determined [Na+]i in dendrites and addressed how it is influenced by neuronal activity. Secondly, this study investigated the spread of Na+ through the dendrite after local intrusion, also establishing its diffusional characteristics. It thereby considered the impact of dendrite morphology, namely spine density, which has been reported to dampen dendritic diffusion of molecules. Furthermore, this study investigated the ability of Na+ to cross from the dendrite into neighboring spines, thus addressing spine-dendrite coupling and possible diffusional compartmentation. To this end, fluorescence lifetime imaging (FLIM) of the Na+-sensitive dye ING-2 combined with whole-cell patch-clamp was performed for the quantitative determination of [Na+]i within apical dendrites of CA1 pyramidal neurons in organotypic slices of the mouse hippocampus. Apical dendrites displayed [Na+]i of around 9.5 mM which was reduced upon neuronal silencing. This underlines that neuronal signaling leads to transient increases in [Na+]i and shows that dendritic [Na+]i is shaped by neuronal activity. Furthermore, local glutamate iontophoresis and two-photon Na+ imaging in the line-scan mode (again combined with whole-cell patch-clamp) was employed to investigate the spread of Na+. Na+ diffused along dendrites and invaded adjacent spines, demonstrating rapid diffusional spine- dendrite coupling. The ability of Na+ to pass into spines was thereby heterogeneous indicating varying degrees of spine compartmentation, which influences the diffusional coupling between dendrites and spines. This study also shows that the apparent diffusion coefficients (D_App) of Na+ which diffused along the dendrite decreased over time starting at around 200-400 µm2 s-1 and decreasing to approximately 50-100 µm2 s-1 after 2 s. This decrease was explainable through normal diffusion and was not dependent on the morphology of the dendrite. This indicates that diffusional characteristics of Na+ in dendrites are significantly slower than previously reported for cellular structures (600-1300 µm2 s-1). The results are also in contrast to studies which show spine density dependent occurrence of anomalous diffusion in dendrites. Simulation studies show, that dampened Na+ dynamics have a major impact on the physiology of the neuron. This underlines the importance of the here provided study which provides experimental evidence of [Na+]i dynamics in the dendrite.Der Einstrom von Natriumionen (Na+) durch ligandengesteuerte Ionenkanäle während der glutamatergen synaptischen Übertragung führt zu einer Depolarisierung der Postsynapse. Eine schnelle Beseitigung von Na+ von der Eintrittsstelle ist von entscheidender Bedeutung, da erhöhte intrazelluläre Na+-Konzentrationen ([Na+]i) zu anhaltenden Depolarisationen und einem Zusammenbruch der gekoppelten sekundären Transportprozesse führen kann. Solche lokalen Na+ Erhöhungen werden vorwiegend duch laterale Diffusion beseitigt. Während bekannt ist, dass die Diffusionsdynamik von Molekülen und Ionen we Cl- verlangsamt ist, z. B. durch anomale Diffusion in Dendriten mit Dornfortsätzen (Spines), fehlen bisher Studien, die sich mit den Eigenschaften der Na+ Diffusion in Dendriten beschäftigen. Um diese Lücke zu schließen, konzentrierte sich diese Studie auf die Diffusionsdynamik von Na+ in Dendriten von CA1- Pyramidalneuronen. Dafür wurde zunächst [Na+]i in Dendriten bestimmt und untersucht, wie es durch neuronale Aktivität beeinflusst wird. Desweiteren wurde die Ausbreitung von Na+ innerhalb des Dendriten untersucht, wobei dessen Diffusionseigenschaften ermittelt wurden. Dabei wurde die Auswerkung der Dendritenmorphologie, d.h. der Spine-Dichte, berücksichtig, von der berichtet wurde, dass sie die dendritische Diffusion von Molekülen dämpft. Darüber hinaus wurde in dieser Studie untersucht, ob Na+ in der Lage ist von Dendriten in Spines zu diffundieren. Zu diesem Zweck wurde Fluoreszenz- Lebensdauer- Imaging (FLIM) des Na+ sensitiven Farbstoffs ING-2 in Kombination mit Ganzzell-Patch-Clamp zur quantitativen Bestimmung von [Na+]i in apikalen Dendriten von CA1-Pyramidalneuronen in organotypischn Schniten des Maus Hippocampus durchgeführt. Dendriten wiesen eine [Na+]i von etwa 9.5 mM auf, der durch das Ausschalten neuronaler Aktivität reduziert wurde. Dies unterstreicht, dass neuronale Signale zu einem transienten Anstieg von [Na+]i führt und zeigt, dass dendritische [Na+]i durch neuronale Aktivität beeinflusst wird. Darüber hinaus wurden Glutamat- Iontophorese und Zwei Photonen Na+ Bildgebung im Line- Scan- Modus (wiederum in Kombination mit Ganzzell- Patch- Clamp) eingesetzt, um die Ausbreitung von Na+ zu untersuchen. Na+ diffundierte innerhalb der Dendriten und in anliegende Spines, was eine schnelle diffusionelle Kopplung zwischen Spines und Dendriten zeigt, welche heterogen war. Die Daten deuten also auf einen unterschiedlich Grad der Spine-Kompartmentieung hin, welcher die Diffusion beeinflusst. Diese Studie zeigt auch, dass die gemessenen Diffusionskoeffizienten (D_App) von Na+, welches entlang des Dendriten diffundierten, über 2 Sekunden von 200-400 µm2 s-1 auf 50-100 µm2 s-1 abnahmen. Dieser Rückgang war durch normale Diffusion erklärbar und hing nicht von der Morphologie des Dendriten ab. Dies zeigt zum einen, dass die Diffusionseigenschaften von Na+ in Dendriten deutlich langsamer sind, als bisher für cellulären Strukturen berichtet wurde (600-1300 µm2 s-1). Darüber hinaus deuten die Daten darauf hin, dass die Dämpfung der Na+- Diffusionsdynamik nicht von der Morphologie der Dendriten abhängt, was im Gegensatz zu Studien steht , die eine von der Spinedichte abhängige anomale Diffusion zeigen. Studien, welche die langesame diffusion von Na+ simulieren zeigen, dass langsame Dynamiken große Implikationen für die Physiologie des Neuons haben. Dies unterstreicht die Bedeutung der hier vorgelegten Studie, die den expermentellen Nachweis der Na+ Dynamik im Dendriten lefert. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 05.02.2026 | |||||||
| Dateien geändert am: | 05.02.2026 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 04.06.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 04.11.2024 |
