Afferents to the presubiculum in the mouse brain

Abstract

The need to navigate is a basic behavior in all complex animals. The presubiculum, as part of the parahippocampal region, plays an important role herein in rodents, in other mammals and probably in humans. Detailed knowledge about anatomical connections and functional organisation within the neuronal circuits involved in spatial representation are crucial to understand how the brain computes navigational information. In this thesis, anatomical afferences to the presubiculum were identified in the mouse via retrograde tracing. Labelling was obtained following stereotactic injection of Retrobeads™ into the presubicular cortex in vivo. The distribution of labelled neurons was quantified across the whole brain in two mice in a layer-specific manner for selected upstream cortical areas. The most intense retrograde labelling was observed ipsilaterally in anterior thalamic nuclei, the retrosplenial cortex, and in pre- and parasubiculum. Moderate labelling was found in ipsilateral secondary visual cortices V2M and V2L, lateral entorhinal cortex, perirhinal cortex and subiculum and minor input arose from claustrum, the thalamic nuclei LDN, DLG and Nucleus reuniens, the primary visual cortex and the contralateral presubiculum and retrosplenial cortex. Afferences from the orbitofrontal and anterior cingulate cortex were not examined here due to their very anterior localisation. In granular retrosplenial cortex, labelled cells lay mainly in layer III, in dysgranular retrosplenial cortex, V2M and V2L they lay both in superficial and deep layers, although they were more abundant in superficial layers in Rdg and in deep layers in secondary visual cortices. Presubicular input from V1 originated in deep and from LEC in superficial layers. I also worked according an optogenetic experimental protocol using lentiviral transfection for the introduction of the photosensitive molecule channelrhodopsin-2 (ChR2) into afferent regions. The transfection efficacy, spread and temporal stability of expression were examined. My results show that in the mouse, the brain regions afferent to presubiculum are similar to those described previously in other species. I also provide additional information about the laminar origin of the projections from five cortical regions, which could reflect the hierarchy of connections of the network. Preliminary results from optogenetic experiments indicate that this approach may be useful for functional connectivity mapping of specific inputs via the optical activation of axon terminals in the presubiculum.

Räumliche Orientierung ist eine grundlegende kognitive Leistung aller komplexen Lebewesen. Das Presubiculum, als Teil der parahippokampalen Region, spielt bei Nagetieren, anderen Säugetieren und wahrscheinlich auch bei Menschen hierbei eine wichtige Rolle. Um zu verstehen, wie das Gehirn die Orientierung im Raum verschlüsselt sind detaillierte Kenntnisse über anatomische Verbindungen und funktionelle Organisation der beteiligten neuronalen Kreisläufe unverzichtbar. In dieser Doktorarbeit wurden anatomische Afferenzen des Presubiculum in der Maus durch retrograde Markierung identifiziert, welche mithilfe stereotaktischer Injektion von Retrobeads™ ins Presubiculum in vivo erzielt wurde. Die Verteilung markierter Neuronen im gesamten Gehirn wurde in 2 Mäusen quantifiziert und in ausgesuchten afferenten Regionen gehirnschichtspezifisch ausgewertet. Die stärkste Markierung fand sich ipsilateral in Anterioren Thalamuskernen, dem Retrosplenialem Kortex, sowie in Pre- und Parasubiculum. Moderat markiert waren ipsilateral die sekundären visuelle Areale V2M und V2L, der Laterale Entorhinale Kortex (LEC), der Perirhinale Kortex, und das Subiculum, minimale Markierung wurde in Clausturm, den Thalamischen Kerngebieten LDN, DLG, Nucleus Reuniens, dem primären visuellen Kortex (V1) und kontralateral in Presubiculum und Retrosplenialem Kortex beobachtet. Afferenzen aus dem orbitofrontalen und anterioren cingulärem Kortex wurden aufgrund ihrer weit anterioren Lage hier nicht analysiert. Im granulären Teil des Retrosplenialen Kortex lagen die markierten Neuronen hauptsächlich in Layer III, im dysgranulären Teil (Rdg), sowie in V2M und V2L waren sie sowohl in oberflächlichen, als auch tiefen Schichten zu finden, wobei sie in Rdg vorwiegend in oberflächlichen, und in sekundär visuellen Arealen in tiefen Schichten lokalisiert waren. In V1 projizierten tiefe Schichten, im LEC oberflächliche Schichten ins Presubiculum. Außerdem wurde auf ein optogenetisches experimentelles Protokoll hingearbeitet, das über virale Transfektion den photosensiblen Kationenkanal Channelrhodopsin-2 in afferente Regionen integriert. 2 lentivirale Vektoren wurden im Hinblick auf lokale Ausbreitung, Transfektionseffizienz und die Stabilität der resultierenden Virusexpression beurteilt. Meine Ergebnisse zeigen, dass Afferenzen des Presubiculum in der Maus ähnlich sind wie die zuvor in anderen Spezies beschriebenen. Außerdem stelle ich neue Erkenntnisse über die zellschichtliche Lokalisation projizierender Neuronen in fünf afferenten Regionen, die Aufschluss über die hierarchische Stuktur innerhalb des Netzwerks geben könnte. Vorläufige Ergebnisse aus den optogenetischen Experimenten zeigen, dass es sich hierbei um einen nützlichen Ansatz für funktionelles Mapping spezifischer Inputs via optischer Aktivierung von Axonendigungen im Presubiculum handeln könnte.