Characterization of inhibitory and projection specific neurons of the presubiculum

Abstract

The presubiculum (PrS) is a transitional cortical area of the parahippocampal formation in the temporal lobe, close to hippocampus and entorhinal cortex. PrS is involved in spatial navigation processing by encoding an animal’s head direction. The HD signal is most likely generated in lateral mammillary nucleus (LMN) and relayed in anterodorsal thalamus (ADN) before being processed in the PrS. PrS is thought to be crucial for updating the HD signal with visual landmark information as it receives direct projections of visual cortex and projects back to downstream ADN and LMN. The aim of my work has been twofold. First, I examined the GABAergic neurons of the PrS. GABAergic interneurons are at the source of inhibitory activity that is essential for local signal generation. I quantified the total number of presubicular interneurons in the GAD67-GFP transgenic mouse and investigated morphological properties and layer specific distribution of interneuron subtypes. The proportion of interneurons in the PrS was 11% of all neurons. To identify neurochemical subpopulations, I performed double immunolabeling with combinations of Parvalbumin (PV), Calretinin (CR), Calbindin (CB), Somatostatin (SOM), Vasointestinal Peptide (VIP) and Neuropeptide Y (NPY). Largest population of presubicular interneurons was PV+ (36%). CR, CB and SOM interneurons contributed evenly to the population (~18%), while there were less VIP+ interneurons (9%). Double labeling experiments revealed a small subpopulation of presubicular interneurons positive for PV and SOM, a co- expression pattern seen in the hippocampal formation but usually absent in neocortical regions. Indeed, the PrS displays a unique expression pattern of inhibitory cells, and their functional role within the presubicular microcircuit will have to be investigated in future studies. The second part of my work focused on projection-specific neurons of the PrS targeting LMN and ADN. To reveal their morphological and electrophysiological identity, I injected retrogradely migrating fluorescent beads into LMN or ADN which allowed assessing the laminar origin of projection neurons. While LMN projecting neurons were exclusively seen in layer IV, ADN projecting neurons were restricted to deep layers. Patch clamp recordings of bead-containing presubicular neurons indicated a relatively homogenous population of LMN projecting neurons, displaying an intrinsic bursting behavior which matches their presumed role of operating fast visual update. ADN projecting neurons were mostly regular spiking with otherwise heterogeneous intrinsic properties. Both populations had dendrites extending up to superficial layers, making them well suited to receiving visual input and updating subcortical HD-signal with landmark information. Future work should shed light on recruitment of neuronal subpopulations by specific afferent inputs for a better understanding of information processing in the PrS.

Das Präsubiculum (PrS) zählt zu der parahippokampalen Formation (PHF) und liegt im Temporallappen zwischen Hippokampus und entorhinalem Kortex. Die PHF enthält spezialisierte Zelltypen, die räumliche Informationen verarbeiten und die neuronale Grundlage eines inneren Navigationssystems darstellen. Im PrS sind dies vor allem die so genannten „Head direction (HD) cells“, die als eine Art innerer Kompass eine Orientierung im Raum ermöglichen. Das HD-Signal wird vermutlich im subkortikal liegenden lateralen Mammillarkörper (LMN) durch vestibuläre Aktivität generiert, anschließend im anterodorsalen Kern des Thalamus (ADN) umgeschaltet und in kortikalen Regionen mit visuellen Orientierungspunkten abgeglichen. Hierbei könnte das PrS eine entscheidende Rolle spielen, da es afferente Verbindungen mit dem visuellen Kortex sowie eine efferente Verbindung mit LMN und ADN unterhält. In der vorliegenden Arbeit habe ich mich zunächst der weitestgehend unerforschten Population der Interneurone des PrS gewidmet. Mit Hilfe des transgenetischen GAD67-GFP Maus- Modells und immunohistochemischen Methoden, konnten die GABAergen Zellen dieser Region quantifiziert werden. 11% aller Neurone des PrS sind Interneurone. Durch Immunfärbungen für Parvalbumin (PV), Somatostatin (SOM), Vasointestinal Peptide (VIP), Calretinin (CR), Calbindin (CB) und Neuropeptide Y (NPY) konnten diese Interneurone weiter unterteilt werden. Die größte Interneuron- Subpopulation ist PV+ (36%). SOM, CR und CB findet man in etwa zu gleichen Teilen (18%) während VIP von einer kleineren Zellgruppe exprimiert wird (11%). Das PrS enthält zudem eine kleine Gruppe von Interneuronen, die sowohl positiv für PV als auch für SOM sind. Dieser Subtyp ist typisch für den benachbarten Hippokampus und wurde in neokortikalen Regionen bisher nicht beobachtet. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass das PrS eine einzigartige Interneuron-Population aufweist, deren funktionelle Bedeutung in zukünftigen Studien untersucht werden sollte. Im zweiten Teil meiner Arbeit beschäftigte ich mich mit projektions-spezifischen Neuronen des PrS. Durch Injektion von retrograd wandernden Tracern konnten Neurone markiert werden, die zum LMN und dem ADN projizieren. LMN- projizierende Zellen befinden sich demnach in Lamina IV, wohingegen die Zellkörper der zum ADN projizierenden Neurone in Lamina V/VI liegen. Diese Projektionsneurone unterscheiden sich in ihren elektrophysiologischen Eigenschaften. In patch-clamp Ableitungen erwiesen sich die LMN-projizierende Neurone als „intrinsic bursting“ (IB) und die ADN- projizierende Zellen als „regular spiking“. Besonders die zum LMN projizierenden IB- Neurone könnten ein schnelles visuelles Update des subkortikalen HD-Signals ermöglichen. Beide neuronalen Populationen zeigten aszendierende Dendriten, so dass sowohl LMN als auch ADN projizierende Neurone in den oberen Laminae von Afferenzen des visuellen Kortex kontaktiert werden könnten. Ob visuelle oder auch andere Afferenzen selektiv neuronale Subpopulationen rekrutieren sollte Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein, um abschließende Erkenntnisse über die Informationsverarbeitung innerhalb des PrS sowie des HD-Kreislaufes zu erhalten.