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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-76064
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7606/


Pudenz, Christiane

Thalamo-cortical circuits for the processing of tactile information : thalamic inputs onto excitatory neurons in layer IV of the mouse barrel cortex

Dokument1.pdf (14.300 KB) (md5sum: 4300d6b14fa1d4c5536f7051d07b1903)

Kurzfassung in Englisch

Sensory information in rodents is transmitted from the whiskers on the snout via the trigeminal brainstem nuclei and the thalamus to the barrel cortex. The aim of my diploma thesis was the investigation of the thalamocortical connection from the ventroposterior medial nucleus of the thalamus (VPM) to three different excitatory cell types in layer IV barrels of the primary somatosensory cortex. A distinct incidence of thalamic input on three different excitatory barrel cells was previously postulated but remained unproven. My study in mouse, thus, sought to reveal whether fibers from the thalamus only project to some selected cell types or to all three excitatory cell types with the same preference. Furthermore, synaptic short-term plasticity in three different excitatory cell types was investigated in mouse for the first time. With the help of acute thalamocortical brain slices, the connection between the VPM and the barrel field was examined by in-vitro tracing and electrical stimulation. The excitatory cell types were analyzed by morphological and electrophysiological characteristics. My results imply that two of the thalamocortical slices in a reproducible rostral to caudal sequence show preserved thalamocortical connection and can, therefore, be used to specifically study thalamic input to cortical cells by means of electrical stimulation in VPM. These thalamocortically connected slices comprise, amongst others, the C2 vibrissa-related barrel. Three different excitatory cells in a barrel were identified by their morphological features and classified in spiny stellate (SS), star pyramidal (SP) and pyramidal cells (Pyr). Dendrites of SS are mainly confined to the home barrel whereas SP and Pyr additionally possess an apical dendrite which extends into layers II/III. SP and Pyr can be distinguished by the orientation of their basal dendrites around the soma. Two reconstructions of SS cells display a more transcolumnar axonal projection into the supragranular layers than found for one SP and one Pyr. Furthermore, SS, SP and Pyr were electrophysiologically analyzed. Active and passive membrane properties were determined by applying hyper- and depolarizing current pulses to the soma. Most cells shared the same membrane properties with only a few exceptions. All three cell types exhibited a regular spiking firing pattern except for one SS which showed an intrinsically burst firing pattern. Two channel types, the Ih channel (hyperpolarization-activated cation channel) and the K+ir (inward rectifier K+ channel) were identified in all three cell types. Significant differences occurred for the membrane time constant values of SS and SP in the Ih channel-containing cell type. Direct excitatory thalamic input was found in all three excitatory cell types. Nine SS and one Pyr in barrels responded with synaptic short-term depression at 10, 20 and 40 Hz stimulation. In the nine SS, significant differences between the excitatory postsynaptic potential (EPSP) amplitudes were always observed in relation to the first amplitude. At 10 Hz stimulation, the failure rate of the EPSPs was 8.3% whereas at 20 and 40 Hz stimulation the failure rate was 25%. These findings show that in mouse, SS, SP, and Pyr in barrels receive thalamic input. Furthermore, my results imply that a higher frequency of whisker stimulation, comparable to touching an object during natural behavior, results in stronger synaptic depression in layer IV SS.


Kurzfassung in Deutsch

Bei Nagetieren wird die sensorische Information von den Tasthaaren (Vibrissen) der Schnauze über die trigeminalen Hirnstammkerne und den Thalamus zum Barrelkortex übermittelt. Das Ziel meiner Diplomarbeit war die Untersuchung der thalamokortikalen Verbindung vom ventroposterior medialen Thalamuskern (VPM) auf drei verschiedene exzitatorische Zelltypen der Barrels in Schicht IV des primären somatosensorischen Kortex. Frühere Berichte gingen von einer unterschiedlichen Häufigkeit des thalamischen Eingangs auf die drei verschiedenen Barrelzellen aus; dies blieb aber bisher unbewiesen. Daher sollten meine Untersuchungen bei der Maus aufzeigen, ob thalamische Fasern nur auf einige ausgewählte Zelltypen oder auf alle drei exzitatorischen Zelltypen mit der gleichen Präferenz projizieren. Hierbei wurde die synaptische Kurzzeit-Plastizität zum ersten Mal bei der Maus in den drei verschiedenen exzitatorischen Zelltypen betrachtet. Durch in-vitro Tracing und elektrische Stimulation in akuten thalamokortikalen Gehirnschnitten konnte die Verbindung zwischen dem VPM und dem Barrelfeld untersucht werden. Die Charakterisierung der exzitatorischen Zelltypen erfolgte anhand ihrer morphologischen und elektrophysiologischen Eigenschaften. Meine Ergebnisse zeigen, dass bei zwei thalamokortikalen Schnitten einer reproduzierbaren rostralen zu kaudalen Abfolge eine vollständige Faserverbindung zwischen dem VPM und dem Barrelfeld bestand. Diese zwei Schnitte konnten demzufolge gezielt ausgewählt werden, um den thalamischen Eingang auf kortikale Zellen mittels elektrischer Stimulation im VPM festzustellen. Diese thalamokortikal konnektierten Schnitte enthalten unter anderem das Barrel, welches der C2 Vibrisse entspricht. Anhand ihrer morphologischen Eigenschaften wurden drei verschiedene exzitatorische Zellen eines Barrels identifiziert und eingeteilt in bedornte Sternzellen (SS), Sternpyramidenzellen (SP) und Pyramidenzellen (Pyr). Die Dendriten der SS sind hauptsächlich auf ihr Home-Barrel beschränkt, während SP und Pyr zusätzlich zu den basalen Dendriten einen apikalen Dendrit besitzen, welcher sich in die Schichten II/III erstreckt. SP und Pyr wurden durch die Orientierung ihrer basalen Dendriten am Soma unterschieden. Die Rekonstruktion zweier SS zeigte eine stärkere transkolumnare axonale Projektion in die supragranularen Schichten, als es für eine rekonstruierte SP und eine Pyr gefunden wurde. Desweiteren erfolgte eine elektrophysiologische Auswertung der SS, SP und Pyr. Durch die Auswertung der Spannungsmessungen von hyper- und depolarisierenden Strompulsen konnten passive und aktive intrinsische Membraneigenschaften bestimmt werden. Mit wenigen Ausnahmen wiesen die meisten Zellen dieselben Membraneigenschaften auf. Alle drei Zelltypen zeigten ein „regular spiking“ Feuermuster mit Ausnahme einer SS, die ein „intrinsically burst“ Feuermuster aufwies. In allen drei exziatorischen Zelltypen wurden zwei Kanäle, der Ih Kanal (durch Hyperpolarisation aktivierter Kationkanal) und der K+ir (einwärts gerichteter K+-Kanal) gefunden. Die Werte der Membranzeitkonstanten des Ih Kanal-enthaltenden Zelltyps unterschieden sich signifikant zwischen SS und SP. Auf alle drei exzitatorischen Zelltypen wurde ein direkter thalamischer Eingang gefunden. Neun SS und eine Pyr in den Barrels antworteten mit synaptischer Kurzzeit-Depression bei einer 10 Hz, 20 Hz und 40 Hz Stimulation. In den neun SS konnten signifikante Unterschiede der 2. bis 5. Amplituden der exzitatorisch postsynaptischen Potentiale (EPSP) im Bezug zur ersten Amplitude nachgewiesen werden. Die Fehlerrate der EPSPs lag bei der 10 Hz Stimulation bei 8.3%, hingegen bei einer 20 Hz und 40 Hz Stimulation bei 25%. Diese Ergebnisse weisen daraufhin, dass eine höhere Frequenz der Vibrissenstimulation, vergleichbar mit dem Berühren eines Objektes während des natürlichen Verhaltens, eine stärkere synaptische Depression in den SS der Schicht IV verursacht.


SWD-Schlagwörter: Sinneshaar
Freie Schlagwörter (deutsch): thalamokortikal , Barrelkortex , Tasthaare , exzitatorische Neurone , primärer somatosensorischer Kortex
Freie Schlagwörter (englisch): thalamo-cortical , barrel cortex , whisker , excitatory neurons , primary somatosensory cortex
Institut 1: Institut für Biologie 3
Institut 2: Anatomisches Inst. I
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Diplomarbeit, Magisterarbeit
Sprache: Englisch
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 08.07.2010
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