GABAergic interneuron types in the rat dentate gyrus: a cluster analysis based morpho-physiological classification

Abstract

Background: Cortical GABAergic interneurons (INs) have been shown to play a crucial role in regulating local cell excitability which is required for a coordinated ensemble activity and ultimately information processing. However, despite their importance for local circuit function, the morphological and physiological diversity of cortical GABAergic INs in many brain areas is still not fully understood. In the dentate gyrus (DG), the main entry point of spatial information to the hippocampus, several IN types with diverse morphological and physiological characteristics have been described, but a comprehensive morpho-physiological classification is still lacking. Methods: Whole-cell patch-clamp recordings were performed in acute hippocampal slices from vGAT-YFP rats from a total of 80 DG GABAergic INs, including 7 DG principal cells (4 dentate granule cells, 3 mossy cells) as reference, to assess their electrophysiological characteristics. Intracellularly labeled neurons were then visualized using 3-dimensional confocal microscopy followed by neuronal reconstructions and morphological analysis. Neurochemical marker expression was assessed in 64 of the 80 included GABAergic INs using immunohistochemistry. Finally, based on 38 morphological and 15 physiological parameters post hoc cluster analyses following Ward´s minimum variance method combined with preceding kernel principal component analyses were employed to classify GABAergic IN types of the DG. Results: GABAergic INs of the DG fall into distinct classes based on their morphological and physiological characteristics with 12 and 8 types identified by our analyses, respectively. However, a combined morpho-physiological classification revealed the greatest diversity with a total of 13 distinct GABAergic IN types comprising previously described and 6 novel IN classes. Neurochemical marker expression of morphophysiological types was non-uniform in some classes likely reflecting their diverse embryonic origins. Conclusion: Our results show that GABAergic INs of the DG divide into at least 13 distinct morpho-physiological types offering us deeper insights into circuit structure and function.

Kortikale GABAerge Interneurone (IN) spielen eine zentrale Rolle in der Regulation lokaler neuronaler Aktivität, die für eine koordinierte Informationsweitergabe und schlussendlich Informationsverarbeitung unerlässlich ist. Trotz dieser zentralen Bedeutung für neuronale Netzwerke, ist die morphologische und physiologische Diversität kortikaler GABAerger IN noch über weite Strecken unerforscht. Im Gyrus dentatus, der Haupteintrittspforte des Hippocampus für räumliche Information, sind bislang einige GABAerge IN-Typen mit charakteristischen morphologischen und physiologischen Eigenschaften beschrieben worden, doch eine umfassende morphophysiologische Klassifizierung ist zum jetzigen Zeitpunkt noch ausstehend. Methodik: In Gehirnschnitten von vGAT-YFP positiven Ratten wurden insgesamt 80 GABAerge IN und 7 Hauptzellen (4 Körnerzellen und 3 Mooszellen) des Gyrus dentatus mittels „Patch-clamp“- Technik in „Whole-cell“- Konfiguration auf ihre physiologischen Eigenschaften hin untersucht. Anschließend erfolgte die Visualisierung der simultan intrazellulär angefärbten Neurone mittels 3-dimensionaler konfokaler Mikroskopie mit darauffolgenden neuronalen Rekonstruktionen und letztlich morphologischen Analysen. Immunhistochemische Untersuchungen in 64 der 80 eingeschlossenen GABAergen IN dienten der Feststellung der Expression neurochemischer Marker. Basierend auf insgesamt 38 morphologischen und 15 physiologischen Parametern erfolgten schließlich, verbunden mit vorausgegangenen Kernel Hauptkomponentenanalysen, hierarchische Cluster Analysen nach der „Ward´s minimum variance“- Methode zur Klassifikation GABAerger IN-Typen des Gyrus dentatus. Ergebnisse: GABAerge IN bilden, basierend auf ihren morphologischen, aber auch physiologischen Eigenschaften, charakteristische IN-Klassen mit insgesamt 12 morphologisch und 8 physiologisch identifizierten Typen. Die größte Diversität zeigte sich jedoch nach Integration morphologischer und physiologischer Eigenschaften mit insgesamt 13 morpho-physiologischen Typen. Dabei wurden bereits bekannte INKlassen bestätigt, aber auch 6 neue IN-Klassen identifiziert. Die Expression neurochemischer Marker zeigte sich in manchen IN-Klassen uneinheitlich, was möglicherweise auf unterschiedliche embryonale Ursprünge hinweist. Schlussfolgerung: GABAerge IN des Gyrus dentatus bilden mindestens 13 verschiedene morpho-physiologische IN-Typen, die dazu beitragen unser Verständnis bezüglich hippocampaler neuronaler Netzwerke und im weiteren Sinne Informationsverarbeitung weiter zu vertiefen.