dc.contributor.author
Beed, Prateep Sanker
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:07:30Z
dc.date.available
2010-12-07T12:06:24.731Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4673
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-8873
dc.description.abstract
Neuronal microcircuits are the fundamental units of brain functions. Such
microcircuits are at the interface between the elementary building blocks,
namely excitatory and inhibitory neurons and functional neuronal networks. The
structure of neuronal microcircuits matures over development and stabilizes in
the adult. Developmental or environmental insults often result in misconnected
circuits. By studying normal or misconnected neuronal microcircuits one can
better understand the underlying functions in physiological or pathological
(neurodegenerative diseases) conditions. In my doctoral thesis, I aimed to
understand the functional microcircuitry of the entorhinal cortex, in
particular the medial entorhinal cortex (mEC), in normal functions and
disease. Past research has focused mainly on the anatomical circuitry of the
entorhinal cortex. However, recent in vivo work has revealed the functional
relevance of the entorhinal cortex as an independent computational unit
serving a key role in spatial navigation and not simply an information hub
between the cortex and hippocampus. The chronological gap between structural
and functional studies has led to many open questions. In addition the mEC has
been implicated heavily in Alzheimer’s disease, temporal lobe epilepsy (TLE),
Schizophrenia and many other neuropsychiatric disorders. In chapters 1 and 2,
I introduce the concept of a neuronal microcircuit and emphasize the need to
understand it both at the structural and functional levels. Further, I
introduce the mEC’s role in spatial navigation and pathophysiology and the
importance of looking at the underlying microcircuitry which might further our
understanding in these directions. In chapter 3, I discuss the available
techniques for studying neuronal microcircuitry, introduce the fast-scanning
photostimulation software and in depth compare its performance to the other
standard techniques and software available. By mapping the intralaminar
synaptic connectivity of Layer 2 stellate cells (L2S) of the mEC as a model
cell, the applicability, resolution and repeatability of the software was
validated. Further, the detection algorithm for distinguishing photo-induced
events from background events was tested and proven to be capable of
faithfully differentiating between the two kinds of photo-induced events – the
direct responses and the synaptic inputs. In chapter 4, the main findings of
the functional microcircuitry of the two projection neurons in the L2 mEC –
Layer 2 stellate cell (L2S) and the Layer 2 pyramidal cell (L2P) – are
presented. Results reveal the existence of excitatory microcircuits with a
cell-type–specific separation of intralaminar recurrent connections and
ascending interlaminar feedback connections as well as modular organization.
L2Ss display more intralaminar recurrent connectivity; in comparison, L2Ps
receive a larger fraction of the ascending interlaminar feedback connectivity
from deep layers of the mEC, constituting the hippocampal feedback loop.
Ascending interlaminar feedback connections to L2 are spatially organized in
modules with distinct properties for the two cell types. Neuronal synchrony is
an inherent property of neuronal microcircuits. Brain rhythms of different
temporal frequencies, especially gamma oscillations, have been attributed
important roles in binding information from several brain areas. In chapter 5,
a model for studying the role of mEC microcircuitry in neuronal synchrony and
excitability is assessed, the molecular mechanisms behind such synchrony and
pathological consequences of hyperexcitability. From the results, we conclude
that GluK2 containing kainate receptors are crucial players in the kainate-
induced gamma oscillations in the superficial layers of the mEC. Layer 3
pyramidal cells (L3Ps) contain KARs that are limited to the somatodendritic
region. The specific expression and distribution of GluK2 containing KARs on
L3Ps might render them sensitive to seizure related insults as is often seen
in animal models of TLE (eg: kainate model, pilocarpine model etc.). Since
epilepsy can result from hyperexcitable neuronal networks, there are more than
one way and region where and how this might occur. As an outlook, from another
study that I was involved in, we propose the role of a novel mediator of
synaptic transmission, PRG-1 (plasticity related gene-1) in modulating
excitability in neuronal networks. PRG-1 is found exclusively at glutamatergic
synapses on the postsynaptic side and modulates synaptic transmission. Genetic
deletion of PRG-1 results in severe hyperexcitability (chapter 5) in the
hippocampus leading to pathological seizures. Taken together these findings
reveal the importance of studying the functional microcircuitry of a cortical
region in normal and pathological conditions. The cell-type specific and
modular organization of inputs upon the L2S and L2P further the knowledge as
to how information is transferred within the local microcircuitry of the
entorhinal cortex. The deep layer inputs have been implicated to be of pivotal
importance for the L2 cells to perform its role in spatial navigation. Here,
we provide the first direct functional evidence for the existence of such
input to the L2 cells. Secondly, the characterization of the KARs on L3Ps is a
step forward to understand the KAR-mediated synaptic transmission and its
contribution towards neuronal synchrony and excitability in the mEC. Further,
the identification of a novel mediator of excitability at the synapse, PRG-1,
show a critical way in which neuronal networks are finely tuned. The balance
between excitation and inhibition is needed to maintain the integrity of
neuronal microcircuits. In conclusion, my doctoral thesis makes a contribution
towards understanding the functional microcircuitry in the medial entorhinal
cortex and answers questions explaining the role of microcircuit-forming
synapses in physiological and pathophysiological conditions.
de
dc.description.abstract
Neuronale Mikroschaltkreise bilden die elementaren Einheiten von
Hirnfunktionen. Solche Mikroschaltkreise verbinden die elementaren Bausteine,
dh. erregende und inhibitorische Neurone zu funktionalen neuronalen
Netzwerken. Die Struktur neuronaler Mikroschaltkreise reift während der
Entwicklung und stabilisiert sich im adulten Organismus. Entwicklungs- oder
umgebungsbedingte Beeinträchtigungen haben oft fehlerhaft verknüpfte
Kreisläufe zur Folge. Die Betrachtung normaler und falsch verknüpfter
Mikroschaltkreise ermöglicht das bessere Verständnis der zugrunde liegenden
Funktionen unter physiologischen oder pathologischen (neuropsychiatrischen
Krankheiten) Bedingungen. Das Ziel meiner Doktorarbeit ist das Verständnis des
funktionalen Mikroschaltkreises des entorhinalen Cortex, ins Besondere des
medialen entorhinalen Cortex (mEC), in seiner gesunden Funktion und auch im
Zusammenhang mit Krankheiten. Frühere Studien konzentrierten sich
hauptsächlich auf die anatomische Verschaltung des entorhinalen Cortex.
Jüngste in vivo Forschungen offenbarten jedoch die funktionale Relevanz des
entorhinalen Cortex als unabhängige Recheneinheit, die bei der räumlichen
Orientierung eine Schlüsselrolle einnimmt und keineswegs nur als
Informationsdrehkreuz zwischen Cortex und Hippocampus dient. Die zeitliche
Diskrepanz zwischen strukturellen und funktionalen Studien warf viele offene
Fragen auf. Desweiteren wurde der mEC in Zusammenhang mit Alzheimer,
Temporallappenepilepsie (TLE), Schizophrenie und vielen anderen
neuroentwicklungs- und psychiatrischen Erkrankungen gebracht. In den Kapiteln
1 und 2 leite ich das Konzept des neuronalen Mikroschaltkreises ein und gehe
auf die Notwendigkeit des Verständnisses auf struktureller und funktionaler
Ebene ein. Außerdem erläutere ich die Rolle des mEC bei der räumlichen
Orientierung und in der Pathophysiologie, sowie die Wichtigkeit die zugrunde
liegenden Mikroschaltkreise zu betrachten, welche unser Verständnis in obigen
Zusammenhängen erweitern dürften. In Kapitel 3 diskutiere ich die zur
Untersuchung neuronaler Mikroschaltkreise verfügbaren Techniken, stelle die
schnell abtastende Photostimulationssoftware vor und vergleiche deren
Leistungsvermögen mit dem anderer Standardtechniken und Softwares. Die
Anwendbarkeit, Auflösung und Reproduzierbarkeit der Software wurde an Hand der
Kartierung der intralaminaren synaptischen Verknüpfungen der Schicht 2
Sternzellen (L2S) des mEC als Modellzelle bestätigt. Desweiteren überprüfte
ich den Detektionsalgorithmus zur Unterscheidung photo-induzierter Ereignisse
von Hintergrundereignissen und bewies außerdem dessen Verlässlichkeit zwischen
den beiden Arten photo-induzierter Ereignisse, direkte Antworten und
synaptische Eingänge, zu differenzieren. In Kapitel 4 lege ich die
Kernergebnisse bezüglich der funktionalen Mikroschaltkreise der beiden
Projektionsneuronen der Schicht 2 des mEC, L2S und Schicht 2 Pyramidenzellen
(L2P), dar. Meine Ergebnisse offenbaren das Vorhandensein erregender
Mikroschaltkreise mit einer zelltypspezifischen Trennung zwischen
intralaminaren rekurrenten Verbindungen und aufsteigenden interlaminaren
Rückkopplungsverbindungen sowie eine modulare Organisation. L2S zeigen
hauptsächlich intralaminare rekurrente Verknüpfungen wohingegen L2P
mehrheitlich Eingang von aufsteigenden interlaminaren
Rückkopplungsverbindungen aus den tiefen Schichten des mEC erhalten. Letztere
bilden den hippocampalen Rückführkreis. Aufsteigende interlaminare
Rückkopplungsverbindungen nach Schicht 2 sind in räumlichen Modulen
organisiert welche für die beiden Zelltypen verschiedene Eigenschaften
aufweisen. Neuronale Synchronität ist eine inherente Eigenschaft neuronaler
Mikroschaltkreise. Hirnrythmen verschiedener zeitlicher Frequenzen, ins
Besondere Gamma Oszillationen, werden wichtige Rollen beim Zusammenführen von
Informationen aus verschiedenen Hirnregionen zugeschrieben. In Kapitel 5
beschäftige ich mich mit einem Modell zur Untersuchung der Rolle von mEC
Mikroschaltkreisen im Zusammenhang mit neuronaler Synchronität und
Erregbarkeit, den zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser
Synchronität und den pathologischen Folgen von Übererregbarkeit. Aus den
Ergebnissen dieser Studien schlussfolgere ich, dass GluK2 enthaltende
Kainatrezeptoren eine Schlüsselrolle bei durch Kainat induzierten
Gammaoszillationen in den oberflächlichen Schichten des mEC einnehmen. KARs
der Schicht 3 Pyramidenzellen (L3Ps) sind auf die somatodendritischen Bereiche
beschränkt. Die spezielle Expression und Verteilung von GluK2 enthaltenden
KARs auf L3Ps könnte sie empfänglich für mit epileptischen Anfällen in
Beziehung stehende krankhafte Veränderungen machen, wie sie oft bei
Tiermodellen für TLE (z.B. Kainatmodell, Pilokarpinmodell, etc.) beobachtet
werden. Da sich Epilepsie aus übererregbaren neuronalen Netzwerken entwickeln
kann, gibt es mehr als einen Weg wie und wo dies erfolgen kann. Als Ausblick
diskutiere ich die Rolle eines neuartigen Vermittlers synaptischer
Übertragung, PRG-1 (plasticity related gene-1) bei der Modulation von
Erregbarkeit in neuronalen Netzwerken. Dieser wurde in einer anderen Studie,
an der ich beteiligt war, untersucht. PRG-1 findet sich ausschließlich an
glutamatergen Synapsen auf der postsynaptischen Seite und moduliert die
synaptische Übertragung. Genetische Deletion von PRG-1 führt zu schwerer
Übererregbarkeit (Kapitel 5) des Hippocampus welche in der Entstehung
pathologischer Anfälle mündet. Zusammenfassend zeigen diese Erkenntnisse die
Wichtigkeit funktionale Mikroschaltkreise eines cortikalen Bereichs unter
normalen wie auch unter pathologischen Bedingungen zu untersuchen auf. Die
zelltypspezifische und modulare Organisation von Inputs auf L2S und L2P
erweitern unser Wissen darüber wie Information innerhalb eines lokalen
Mikroschaltkreises des entorhinalen Cortex übermittelt wird. Den Eingängen der
tiefen Schichten wird eine herausragende Rolle für L2 Zellen bei deren
Funktion bei der räumlichen Orientierung zugeschrieben. Diese Arbeit zeigt die
ersten funktionalen Beweise der Existenz solcher Eingänge auf L2 Zellen.
Desweiteren ist die Charakterisierung der KARs auf L3Ps ein weiterer Schritt
zum Verständnis KAR-vermittelter synaptischer Übertragung und deren Beitrag zu
neuronaler Synchronität und Erregbarkeit im mEC. Die Identifikation eines
neuartigen Mediators der Erregbarkeit von Synapsen, PRG-1, zeigt eine
entscheidende Möglichkeit wie neuronale Netzwerke genau reguliert werden
können. Das Gleichgewicht zwischen Erregung und Inhibition ist notwendig um
die Integrität neuronaler Mikroschaltkreise zu bewahren. In ihrer Gesamtheit
leistet meine Doktorarbeit einen Beitrag zum Verständnis der funktionalen
Mikroschaltkreise im medialen entorhinalen Cortex und beantwortet Fragen zu
dessen Rolle unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
glutamate uncaging
dc.subject
microcircuitry
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Microcircuitry in the entorhinal cortex
dc.contributor.contact
prateep.beed@charite.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Dietmar Schmitz
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Stephan Sigrist
dc.date.accepted
2010-04-28
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000017917-8
dc.title.translated
Mikroschaltkreise des entorhinalen Cortex
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
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FUDISS_thesis_000000017917
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