Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-26309
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2630/


Reisch, Adrian

Distinct neuronal cell types in the rat auditory brainstem exhibit genetic response and synaptic plasticity upon novel sensory input

Charakteristische neuronale Zelltypen im auditorischen Hirnstamm der Ratte zeigen genetische Antworten und synaptische Plastizität nach neuem sensorischen Input

Dokument1.pdf (5.763 KB) (md5sum: 626e18d2fff4ca5fe8a9ca43d0926a6b)

Kurzfassung in Englisch

The central nuclei of the auditory brainstem are interconnected by excitatory as well as inhibitory ascending, descending, and commissural pathways. In these different nuclei, various neuronal cell types exist. Classically, neurons have been characterized by their morphological appearance. Here, their axonal connections were determined by tracer application in combination with immunocytochemistry to identify the major neuronal cell types of the dorsal (DCN) and ventral cochlear nucleus (VCN), the lateral superior olive (LSO), the medial superior olive (MSO), and the central nucleus of the inferior colliculus (CIC) of the rat to re-evaluate the major cell types of the auditory brainstem in terms of their projection pattern and molecular profile. As molecular markers, the neurotransmitters glutamate, glycine, and GABA, as well as the calcium-binding proteins (CaBPs) parvalbumin (PV), calretinin (CR), and calbindin-D28k (CB) were visualized with fluorescent antibodies. The obtained data were successfully related to the morphological cell types previously described and a so far unrecognized type of neuron in the LSO that forms a descending pathway heading for the VCN was discovered. Moreover, the thesis provides first evidence for the existence of glycinergic neurons in the rat CIC. In the CIC, the large neuronal population of GABAergic cell bodies always contained PV, whereas GABAergic neurons in VCN and LSO were always devoid of CaBPs.
Repetitive patterns of novel sensory activity may induce plastic reconstruction processes of neurons and their communication network in the adult mammalian brain. Expression of the immediate early genes (IEGs) c-fos and egr-1 is a major indicator for the initial step of neuronal remodeling as both encode transcription factors that trigger cascades of activity-dependent protein synthesis. Following spectrally and temporally precisely defined electrical intracochlear stimulation (EIS) that corresponded to physiological acoustic stimulation and lasted for two hours under anesthesia, those neuronal types that express IEGs in VCN, DCN, LSO, and CIC of the rat were characterized. Patterned activation of sensory afferents affected only neuronal sub-populations, but not non-neuronal cells. Specific glutamatergic and glycinergic cells responded in all four areas, whereas GABAergic neurons failed to do so except for DCN. Combining immunocytochemistry with axonal tracing, commissural VCN cells and neurons of the descending auditory system were identified to respond to EIS with IEG expression, while principal LSO cells projecting to the contralateral CIC as well as collicular efferents of the DCN did not. In total, less than 50% of the identified neurons turned up expression of IEG transcription factors as a consequence of stimulation. The pattern of IEG expression caused by unilateral EIS in the auditory brainstem suggests that dominant sensory activity may quickly initiate a facilitation of central pathways serving the active ear at the expense of those serving the unstimulated ear.
C-Fos, as a part of the AP-1 transcription factor complex, has the ability to induce the growth and plasticity-associated protein GAP-43, which is involved in structural synaptic rearrangements. When extending the time frame of stimulation from two hours to seven days in unanesthetized and freely moving animals, molecular changes beyond IEG expression were detected. Increased levels of GAP-43 and the polysialylated form of the neural cell adhesion molecule (PSA-NCAM) were observed in the anteroventral cochlear nucleus (AVCN) of the stimulated side, strongly indicating activity-dependent structural rearrangements of synapses. In the AVCN of the unstimulated side, but also in DCN and posteroventral cochlear nucleus (PVCN) on both sides, these two plasticity-associated molecules remained at control levels. In the LSO, GAP-43 but not PSA-NCAM showed increased levels on the stimulated side. It seems therefore likely, that GAP-43 positive fibers originate from the LSO and project to AVCN to mediate structural plasticity caused by increased and novel afferent activity.


Kurzfassung in Deutsch

Die zentralen Kerne des auditorischen Hirnstammes sind durch erregende, wie auch durch hemmende aufsteigende, absteigende und kommissurale Verbindungen verknüpft. In diesen unterschiedlichen Kernen existieren verschiedenste neuronale Zelltypen. Klassisch wurden Hirnzellen durch ihre morphologische Erscheinung charakterisiert. Hier wurden ihre axonalen Verbindungen durch Applikation von Tracer bestimmt und die wichtigsten Nervenzelltypen des dorsalen (DCN) und ventralen Cochleakerns (VCN), der lateralen oberen Olive (LSO), der medialen oberen Olive (MSO) und des zentralen Kerns des inferioren Colliculus (CIC) der Ratte durch die Kombination von Tracing mit Immunhistochemie identifiziert. Als molekulare Marker wurden die Neurotransmitter Glutamat, Glyzin und GABA, wie auch die Calcium-bindenden Proteine (CaBPs) Parvalbumin (PV), Calretinin (CR) und Calbindin (CB) mittels Fluoreszenz-Antikörper sichtbar gemacht. Die erhaltenen Daten wurden erfolgreich zu den früher beschriebenen morphologischen Zelltypen in Bezug gesetzt und ein bisher unerkannter Zelltyp in der LSO, der eine absteigende Verbindung zum VCN formt, wurde entdeckt. Des weiteren liefert die Arbeit erste Evidenzen für die Existenz glyzinerger Neurone im CIC der Ratte. Die große Population GABAerger Zellkörper im CIC enthielt immer PV, wogegen GABAerge Neurone im VCN und der LSO immer frei von allen CaBPs waren.
Repetitive Muster neuer sensorischer Aktivität können plastische Rekonstruktionsprozesse in Hirnzellen und deren Kommunikationsnetzwerk im adulten Hirn induzieren. Die Expression der "immediate early" Gene (IEGs) c-fos und egr-1 ist ein wichtiger Indikator für den ersten Schritt neuronaler Umbauten, da beide für Transkriptionsfaktoren codieren, die Kaskaden aktivitätsabhängiger Proteinsynthese initiieren. Nach spektral und temporal präzis definierter elektrischer intracochleärer Stimulation (EIS), die zu physiologischer akustischer Stimulation korrespondierte und zwei Stunden unter Narkose dauerte, wurden diejenigen Zellen im VCN, DCN, LSO und CIC der Ratte identifiziert, die IEGs exprimierten. Diese Aktivierung von sensorischen Afferenten beeinflußte nur neuronale Sub-Populationen, nicht aber nicht-neuronale Zellen. Spezifische glutamaterge und glyzinerge Zellen antworteten in allen vier Arealen, wohingegen GABAerge Hirnzellen ausschließlich im DCN antworteten. Durch die Kombination von Immunhistochemie mit axonalem Tracing wurden kommissurale VCN Zellen und Neurone des absteigenden Hörsystems als mit IEG Expression auf EIS antwortend identifiziert. LSO Zellen die zum kontralateralen CIC projizieren, wie auch colliculare Efferenzen des DCN hingegen taten dies nicht. Insgesamt regulierten weniger als 50% der identifizierten Hirnzellen die IEG Transkription als Konsequenz der Stimulation hoch. Das Muster der durch die einseitige EIS verursachte IEG Expression im auditorischen Hirnstamm läßt vermuten, daß dominante sensorische Aktivität eine rasche Verstärkung der zentralen Verbindungen welche das aktive Ohr unterstützen auf Kosten derer welche das unstimulierte Ohr unterstützen, initiiert.
C-Fos hat als Teil des AP-1 Transkriptionsfaktor-Komplexes die Möglichkeit das Wachstums- und Plastizitäts-assoziierte Protein GAP-43, daß in strukturelle synaptische Umstrukturierungen involviert ist, zu induzieren. Durch die Erweiterung des Zeitfensters der Stimulation von zwei Stunden zu sieben Tagen, in der unnarkotisierten und sich frei bewegenden Ratte, wurden molekulare Veränderungen jenseits der IEG Expression detektiert. Erhöhte Level von GAP-43 und der polysialylierten Form des neuralen Zelladhesionsmoleküls (PSA-NCAM) wurden im anteroventralen Cochleakern (AVCN) der stimulierten Seite beobachtet, was stark auf aktivitätsabhängige strukturelle Umbauten von Synapsen hinweist. Im AVCN der unstimulierten Seite, aber auch im DCN und im posteroventralen Cochleakern (PVCN) auf beiden Seiten blieben beide Plastizitäts-assoziierten Moleküle auf Kontrolleveln. GAP-43, aber nicht PSA-NCAM zeigte erhöhte Level in der LSO auf der stimulierten Seite. Es scheint deswegen wahrscheinlich, daß GAP-43 positive Fasern aus der LSO stammen und zum AVCN projizieren, wo sie durch erhöhte und neue afferente Aktivität strukturelle Plastizität vermitteln.


SWD-Schlagwörter: Neurobiologie , Neuronale Plastizität , Cochlear-Implantat , Immuncytochemie , Hirnstamm , Synapse , Nervennetz , Nervenzelle
Freie Schlagwörter (englisch): cochlear implant, auditory brainstem, activity-dependent plasticity, rat, immunohistochemistry
Institut: Univ.-Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde und Poliklinik
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Illing, Robert-Benjamin (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.11.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 13.11.2006
Indexliste