Dichotomy of subicular principal cells in the involvement in sharp waves and gamma frequency oscillations

Abstract

As the hippocampal output structure, the subiculum’s purpose is to integrate and distribute mne-monic and spatial information to various cortical and subcortical brain regions. The subiculum is also involved in the pathophysiology of neurological conditions such as epilepsy and schizo- phrenia. Network oscillations in the gamma (30-100 Hz) frequency range as well as sharp wave ripple oscillations (100-250 Hz) are most prominent within the hippocampal formation. Both rhythms appear to be functionally connected and are involved in memory storage and retrieval. Within the subiculum, there are two types of principal cells (PC) that can be discriminated based on their firing properties following a depolarizing current injection: intrinsically bursting (IB) and regular spiking (RS) neurons. So far, it remains uninvestigated how these two distinct su-bicular PC classes participate in oscillatory network activity. Using an in vitro model that allows the investigation of sharp wave and gamma frequency oscillations in the subiculum, simultane-ous local field potential and sharp microelectrode recordings were made in 400 μm thick murine hippocampal slices. The intrinsic and synaptic properties of subicular PCs as well as their func-tional involvement in the two major oscillatory rhythms were investigated. Biocytin was used for the morphological identification of recorded neurons. Morphologically, the electrically identified neurons display the typical shape of pyramidal cells. Interestingly, one pair of IB, but not RS cells, shows dye coupling which has been suggested to be the morphological correlate of electric synapses. The results reveal furthermore, that in addition to the electrophysiological dichotomy and distinct firing properties of the subicular PC classes, there exists a strict functional segrega-tion of the active, participating IB cells and mostly silent RS cells during both network states. The silent RS PCs appear to require a higher network activation than IB PCs in order to partici- pate in the oscillatory activity. When depolarized above threshold, they show a cell-type specific and independent firing pattern in correlation to the local field. This suggests a bimodal working model within the subiculum dependent on the level of network excitation. Additionally, the su-bicular IB and RS cells reveal divergent synaptic properties in the active network which suggest distinct synaptic connectivity and possibly input structures. These results altogether indicate a functional cell-type-specific segregation of subicular PCs representing two independent and par-allel streams of information processing within the subiculum resulting in two distinct processing channels within the hippocampal formation.

Als efferentes Organ der hippocampalen Formation entsendet das Subiculum prozessierte mne-monische und räumliche Information zu verschiedenen kortikalen und subkortikalen Gehirnregi-onen. Außerdem ist das Subiculum an der Pathophysiologie neurologischer Erkrankungen wie der Epilepsie und Schizophrenie beteiligt. Netzwerkoszillationen im Gamma-Frequenzbereich (30-100 Hz) und Sharp Wave Ripple Oszillationen (100-250 Hz) spielen eine besondere Rolle in der hippocampalen Formation. Beide Rhythmen sind funktionell vergesellschaftet und an der Speicherung und dem Abruf von Gedächtnisinhalten beteiligt. Im Subiculum gibt es zwei Arten von Prinzipalzellen, die anhand ihrer Reaktion auf die Applikation depolarisierender Strominjek-tionen unterschieden werden: intrinsically bursting (IB) und regular spiking (RS) Zellen. Bisher ist es allerdings unklar, wie die beiden Zelltypen an der subicularen Netzwerkaktivität beteiligt sind. Anhand eines in vitro Modells, das sowohl die Untersuchung von Sharp Waves als auch von Gamma Oszillationen erlaubt, wurden in 400 μm dicken murinen hippocampalen Schnitten simultan Aufnahmen lokaler Feldpotentiale und mithilfe der sharp microelectrode Technik intra-zelluläre Aufnahmen durchgeführt. Die intrinsischen und synaptischen Eigenschaften subicularer Prinzipalzellen und ihre funktionelle Bedeutung während beider Netzwerkrhythmen wurden un-tersucht. Biocytin diente der morphologischen Identifizierung. Die elektrophysiologisch identifi-zierten Zellen zeigen die typische Form von Pyramidalzellen. Dye Coupling, das dem morpholo-gischen Korrelat elektrischer Synapsen entsprechen soll, kann in einem IB Zellpaar aber nicht in RS Zellen nachgewiesen werden. In Ergänzung zu der elektrophysiologischen Dichotomie und dem individuellen Feuerverhalten, wird zudem eine funktionelle und zelltyp-spezifische Tren-nung der Netzwerkbeteiligung im Subiculum deutlich. Die Mehrheit der IB Zellen zeigen aktives und am Netzwerk beteiligtes Verhalten, während die RS Zellen im Großteil unbeteiligt und „still“ sind. RS Zellen scheinen eine stärkere Netzwerkerregung zu benötigen, um an den Net-zoszillationen teilzunehmen. Werden die RS Zellen jedoch über das Schwellenpotential hinaus depolarisiert, zeigen sie ein zelltyp-spezifisches und unabhängiges Aktivitätsmuster in strikter Korrelation zum Netzwerk. Folglich kann ein bimodales Arbeitsmodell im Subiculum ange-nommen werden, das abhängig von dem Level subiculärer Netzwerkerregung ist. Des Weiteren unterscheiden sich die synaptischen Potentiale subicularer IB und RS Zellen deutlich voneinan-der. Das deutet darauf hin, dass sowohl die zelluläre Verschaltung als auch die afferenten Struk-turen subicularer Prinzipalzellen unterschiedlich sein müssen. Zusammenfassend erlauben die Ergebnisse den Rückschluss, dass eine funktionelle und zelltyp-spezifische Separation subicularer IB und RS Zellen existiert, die zwei voneinander unabhängige und parallele Kanäle der In- formationsverarbeitung repräsentieren.