Langsame Netzwerkoszillationen in exzitatorisch verknüpften neuronalen Netzwerken

Abstract

Neuronale Oszillationen stellen ein ubiquitär zu beobachtendes Phänomen in Nervensystemen dar. Aufbauend auf den besonderen zellulären Eigenschaften, die eine Zellpopulation zu Generierung von langsamen synchronen Oszillationen aufweisen muss, wird im ersten Teil dieser Arbeit eine Synchronisationstheorie entwickelt. Die Theorie erlaubt es, ausgehend von einem zellulären Charakteristikum (der Phasen-Antwort-Kurve), vorauszusagen, ob das Neuron in einem ausgewählten Frequenzbereich synchronisieren kann, welches Konnektivitätsregime hierzu notwendig ist und mit welcher quantitativen Genauigkeit die Synchronisation aufrechterhalten werden kann. Letzteres gelingt durch die Einbeziehung der zufälligen, unter physiologischen Bedingungen auftretenden Membranpotentialfluktuationen, die einer Synchronisation entgegenwirken. Zwei Kriterien werden zur Validierung der Vorhersage eingeführt: Das erste Kriterium überprüft, ob alle Neurone exakt einmal pro Feuercyclus ein Aktionspotential generieren, das zweite Kritierum testet die Linearitätsannahme der synaptischen Kopplung. Die Theorie findet ihre konkrete Anwendung in der Beantwortung der Frage, ob die Schicht-II- Sternzelle des medialen entorhinalen Cortex (MEC) als ein Generator des hippocampalen $\vartheta$-Rhythmus fungieren kann. Es zeigt sich, dass Sternzellen als $\vartheta$-Generatoren fungieren können, wenn sie recurrent über exzitatorische Synapsen oder über ein schnell-oszillierendes Netzwerk von inhibitorischen Interneuronen miteinander verbunden sind. Desweiteren kann nachgewiesen werden, dass exzitatorisches Rauschen weniger störend auf die Sternzell-Synchronisation wirkt als inhibitorisches Rauschen. Zur Überprüfung der theoretisch postulierten Konnektivitätshypothesen wird im zweiten Teil der Arbeit ein Photostimulations-System zur großflächigen, räumlich-präzisen Kartierung der afferenten Eingänge einer gepatchten Nervenzelle entwickelt und zur Bestimmung der intralaminären Konnektivität der MEC-Schicht-II-Sternzelle genutzt. Hierbei zeigt sich, dass die Sternzelle sowohl exzitatorische als auch inhibitorische synaptische Kontakte aus der Schicht-II des MEC bezieht, wobei die inhibitorischen Afferenzen insgesamt lokaler um die Sternzelle angeordnet sind. Beide Methoden lassen sich leicht im Kontext anderer Fragestellungen nutzen. So kann beispielsweise das Photostimulations-System zum Auffinden von Neuronenpaaren oder zur Kartierung der dendritischen Rezeptorbestückung eines Nervenzelltyps eingesetzt werden.

Neuronal oscillations are a robust phenomenon occurring in a variety of brain regions despite considerable amounts of noise. In this thesis classical phase- response theory is generalized to the case of noisy weak-coupling regimes by deriving an iterated map for the asynchrony of spikes in an oscillation cycle. Two criteria are introduced to check the validity of our approximations: One criterion tests the assumption that all neurons fire exactly once per cycle, the other criterion tests for linearity. The framework is applied to stellate cells of the medial entorhinal cortex layer II. We find that rhythmogenesis is more robust in the case of excitatory noise as compared to inhibitory noise. It is shown that a network of stellate cells can also act as a generator of theta if the neurons are connected via a fast-oscillating network of inhibitory interneurons. In the second part of the dissertation a photostimulation system is developed and used to determine the functional connectivity of the medial entorhinale layer-II stellate cell. Using a low- magnification objective we acquire images for planning the spatial patterns of stimulation. Then high-magnification objectives are used during laser stimulation providing a laser spot between 2 and 20 µm size. The core of this system is a video-based control software that monitors and controls the connected devices, allows for planning of the experiment, coordinates the stimulation process and manages automatic data storage. This combines a high- resolution analysis of neuronal circuits with flexible and efficient online- planning and execution of a grid of spatial stimulation patterns on a larger scale. The software offers special optical features that enable the system to achieve a maximum degree of spatial reliability. The hardware is mainly built upon standard laboratory devices and thus ideally suited to cost-effectively complement existing electrophysiological setups with a minimal amount of additional equipment. Finally, we demonstrate the performance of the system by mapping the excitatory and inhibitory connections of entorhinal cortex layer- II stellate neurons and present an approach for the analysis of photo-induced synaptic responses in high spontaneous activity. Both methods, the synchronization theory and the photostimulation system are adaptable to a variety of scientific questions, e.g. to the topographical mapping of the neuronal receptor distribution.