Schichtspezifische Organisation der lokalen exzitatorischen und inhibitorischen synaptischen Konnektivität im Präsubiculum der Ratte

Abstract

Das Präsubiculum ist Teil des parahippocampalen Systems für die räumliche Navigation und beinhaltet als vorgeschaltete Region zum medialen entorhinalen Cortex sowohl "head direction" als auch "grid" Zellen. Aufgrund dieser Position innerhalb des parahippocampalen Cortex ist das Präsubiculum besonders geeignet um die Netzwerkstruktur zu untersuchen, die nötig für räumlich- kodierte Aktivität ist. Wir haben die synaptische Konnektivität zwischen Pyramidenzellen und Interneuronen in allen Schichten des Präsubiculums untersucht. Mit Einzelzellableitungen von bis zu acht Zellen gleichzeitig nach dem patch-clamp Verfahren haben wir 4250 potentielle synaptische Verbindungen getestet. Die Netzwerktopologie zeigte schichtspezifische Unterschiede, vereinbar mit der bekannten Unterscheidung in oberflächige und tiefe Schichten. Verbindungen zwischen Pyramidenzellen in den oberflächigen Schichten waren kaum vorhanden, während die tiefen Schichten eine exzitatorische Konnektivität von 3.9% aufwiesen. Im Gegensatz dazu war die synaptische Konnektivität bezüglich der Inhibition in den oberflächigen Schichten höher, jedoch deutlich niedriger als in anderen kortikalen Regionen. Die exzitatorischen als auch inhibitorischen postsynaptischen Amplituden zeigten eine log-normale Verteilung, die auf eine nicht zufällige funktionale Konnektivität hinweist. Unsere Studie hat neue region- und schichtspezifische Aspekte der lokalen Netzwerkarchitektur aufgedeckt, die als Randbedingungen für zukünftige Modelle zur räumlichen Navigation wichtig sind.

The presubiculum is a brain region located between the hippocampus and the entorhinal cortex. It accommodates grid and head direction cells which are key components of the spatial navigation system. Being upstream to the medial entorhinal cortex, it is an ideal region to investigate the network properties required for the generation of spatially tuned activity. We analyzed the synaptic connectivity of interneurons and pyramidal cells throughout all layers using simultaneous whole-cell patch-clamp recordings of up to 8 cells. We tested 4250 potential synaptic connections and found layer-specific differences in network organization consistent with the established separation in superficial and deep layers. Superficial layers almost lacked any excitatory connectivity among pyramidal cells while deep layers showed a connectivity of 3.9%. On the contrary, inhibitory connectivity was higher in superficial layers, however clearly lower than in other brain regions. Additionally, postsynaptic amplitudes of excitatory and inhibitory connections exhibited log-normal distributions, indicating a non-random functional connectivity. Summing up, we have provided new insights into the network topology of the presubiculum by finding layer- and area-specific rules of connectivity. These organization principles are necessary to constrain future models of the spatial navigation system.