Understanding how neurons in the brain communicate and process visual information which ultimately contributes to the perception of sight, represents a long-standing objective in the field of systems neuroscience. The superior colliculus (SC) is a midbrain structure that receives direct inputs from retinal ganglion cells (RGCs) and is enriched in inhibitory neurons in its visual layers. How incoming retinal information is integrated by excitatory and inhibitory neurons along the retinocollicular pathway, remains unknown. This thesis work endeavours to elucidate the encoding strategies of excitatory and inhibitory SC neurons innervated by RGCs and ascertain whether the retinocollicular systems uses comparable principles of visual input integration to the well-studied thalamocortical system. To achieve this objective, a novel approach was developed, enabling simultaneous recordings from connected retinocollicular neuron pairs in vivo. Furthermore, combined with optotagging in VGAT-ChR2 mice, to distinguish excitatory and inhibitory SC neurons, this technique has enhanced the exploration of retinocollicular connectivity at a cell type-specific level and allows to investigate how these neuron types are innervated by their presynaptic RGC inputs. The findings reveal compelling insight into the interplay between RGC inputs and their target neurons in SC. Notably, and in contrast to the thalamocortical system, both excitatory and inhibitory SC neurons receive comparable levels of input strength from the retina, with functionally similar pairs exhibiting stronger connections. Intriguingly, despite the equivalently robust retinal innervation onto both cell types, excitatory SC neurons are more tightly coupled to RGC activity. Furthermore, both types of SC neurons show facilitating dynamics, with a second RGC spike resulting in a stronger activation of SC neurons compared to a first RGC spike. Taken together, this thesis work provides the foundations for an enhanced understanding of how excitatory and inhibitory SC neurons integrate RGC inputs. It reveals that the integration mechanisms might be different to the thalamocortical system and more similar to those of the visual thalamus. The recording approach, capable of recording neuron connectivity on a large scale, establishes a solid foundation for future studies that will shed light on the diversity and complexity of inhibitory cell types within the SC.
Ein tieferes Verständnis darüber zu erlangen wie Neuronen im Gehirn miteinander kommunizieren und visuelle Informationen verarbeiten, was letztendlich zum Wahrnehmen unserer Umwelt führt, stellt ein langjähriges Ziel im Bereich der Neurowissenschaften dar. Der Superior Colliculus (SC) ist eine Mittelhirnstruktur, die direkte Inputs von retinalen Ganglienzellen (RGCs) erhält. Zudem sind die visuellen Schichten des SC reich an hemmenden Neuronen. Wie die retinale Information von erregenden und hemmenden Neuronen entlang des retinokollikularen Schaltkreises integriert wird, ist jedoch noch weitestgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Integrationsstrategien von erregenden und hemmenden SC Neuronen, die von RGCs innerviert werden, zu charakterisieren und zu untersuchen, ob das retinokollukulare System ähnliche Prinzipien der visuellen Integrationsverarbeitung verwendet, wie das gut erforschte thalamokortikale System. Um dieses Ziel zu erreichen wurde eine neuartige Methode entwickelt, die die simultane Messung von verbundenen RGC-SC Neuronenpaaren in vivo ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik in Kombination mit der Optotagging-Methode in VGAT-ChR2 Mäusen die Unterscheidung zwischen erregenden und hemmenden SC Neuronen. Dies ermöglicht Einblicke in das Zusammenspiel zwischen RGCs und deren postsynaptischen Zielneuronen im SC und wie diese Neuronentypen von ihren präsynaptischen RGC Inputs innerviert werden Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass sowohl erregende als auch hemmende SC Neurone vergleichbar starken Input von der Retina erhalten, wobei funktionell ähnliche Paare stärkere Verbindungen aufweisen. Interessanterweise sind trotz der gleichwertig starken retinalen Innervation die erregenden SC Neurone stärker an die Aktivität der RGCs gekoppelt. Darüber hinaus zeigen beide Typen von SC Neuronen potenzierende Dynamiken, wobei ein zweiter RGC Puls zu einer stärkeren Aktivierung der SC Neurone führt als ein ersten RGC Puls. Zusammenfassend bietet diese Arbeit die Grundlagen für ein tieferes Verständnis davon, wie erregende und hemmende SC Neurone retinale Information integrieren. Sie zeigt, dass diese Mechanismen unterschiedlich zum thalamokortikalen System sind und eher denen des retinothalamischen Systems ähneln. Die hier entwickelte Methode extrazellulär im SC abzuleiten, erlaubt es, neuronale Verbindungen zwischen RGC Axonen und SC Neuronen im großen Maßstab in vivo zu messen und legt eine solide Grundlage für zukünftige Studien, die Aufschluss geben können über die Vielfalt und Komplexität der hemmenden Zelltypen im SC.
