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A Paleocortico-Thalamo-Cortical Circuit Operating Giant Synapses

Pelzer, Patric

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Abstract

The thalamus is a critical relay station in the pathway for sensory information to the cortex and additionally important for the intercortical information transfer. An exception is the olfactory system, as it does not require a thalamic relay step before the information reaches the cortex. Olfactory receptor neurons send axonal projections to the olfactory bulb, from where the information proceeds to the primary olfactory cortex. It is only from the piriform cortex (PIR) that the information is passed to the prefrontal cortex via direct projections and via the mediodorsal thalamus (MD). Aside the for a sensory system exceptional connectivity, does this circuit also stand out against other cortico-thalamo-cortical loops. The PIR belongs to the paleocortex instead of neocortex, the contributor to most other cortico-thalamo-cortical loops. This situation raises the question if paleocorticothalamic projections have the same function as their subcorticothalamic or neocorticothalamic equivalents? In this thesis, I utilize a highly precise spatiotemporal gene transfer system via adeno-associated viruses to label PIR synapses. In acute slice preparations these synapses may be excited individually by juxtapositioned near field simulation electrodes. Based on the kinetics of the evoked postsynaptic currents and immunohistological stainings, I propose glutamate as the principle neurotransmitter. The PIR-MD synapse displays short-term depression, as it has been shown for other thalamic afferences, classified as “drivers”. In an electronmicroscopic preparation the complex dendritic interface of PIR-MD synapses becomes apparent. Often multiple dendritic excrescences invade the presynaptic profile. The presynaptic lumen is filled with vesicles and mitochondria. Altogether the morphology is that of a typical driver synapse in the thalamus. Surprisingly, I found chemical synapses onto intermediate stretches of labeled axons, a constellation that has not been described in MD or elsewhere previously. In summary, the results show that the olfactory brain circuit may have an additional level of complexity, imposed by axo-axonal contacts, and that PIR-MD synapses function like driver synapses in other transthalamic projections. However, as the term “driver” suggests that it always evokes postsynaptic action potentials, which is not true for the PIR-MD synapse, the recently proposed term “class I” synapse is adopted.

Translation of abstract (German)

Der Thalamus ist eine wichtige Zwischenstation sensorischer Informationen auf dem Weg zum Cortex und im intercortikalen Informationsaustausch. Eine Ausnahme ist der Geruchssinn. Er unterscheidet sich in seiner anatomischen Verschaltung von anderen Sinnesmodalitäten insofern, dass die Informationen ohne thalamische Zwischenstation in den Cortex gelangen. Die olfaktorischen Rezeptorneurone bilden Axone zum Bulbus olfactorius aus und von dort werden die Informationen zum olfaktorischen Cortex weiter-verschaltet. Erst vom Cortex piriformis (PIR), dem Großteil des olfaktorischen Cortex, gelangt die Information in den mediodorsalen Thalamus (MD). Neben dieser außer-gewöhnlichen Konnektivität stellt das olfaktorische Netzwerk auch eine Besonderheit unter den cortico-thalamo-corticalen Verbindungen da. Der PIR ist nicht Teil des Neocortex, wie für die meisten andern cortico-thalamo-corticalen Verbindungen, sondern Teil des Paläocortex. Dies wirft die Frage auf, ob paläocorticothalamische Projektionen ähnlich wie andere subcorticothalamische oder neocorticothalamische Projektionen funktionieren? In dieser Arbeit nutze ich den zeitlich und lokal präzise definierten Gentransfer via adeno-assoziierten Viren um PIR-MD Synapsen zu markieren. In akuten Hirnschnitten lassen sich diese mittels lokalbegrenzt agierender Elektroden stimulieren. Basierend auf der Kinetik der evozierten postsynaptische Ströme und immunohistologischer Untersuchungen konnte Glutamat als primärer Neurotransmitter ermittelt werden. Während repetitiver Stimulation zeigen die Synapsen eine stark ausgeprägte frequenzabhängige Ermüdung. Im elektronenmikroskopischen Präparat zeigt sich die aufwendig strukturierte Kontaktfläche zwischen Dendriten und PIR-MD Synapse. Häufig dringen dendritische Auswüchse in die Präsynapse ein. Die Präsynapse ist mit Vesikeln und Mitochondrien gefüllt. Diese Morphologie entspricht der einer typischen thalamischen „Driver“-Synapse. Überraschenderweise, konnte ich chemische Synapsen direkt auf markierte PIR-Axone nachweisen. Dieser Typ von Synapse wurde für den MD bisher nicht beschrieben. Darüber hinaus wurden axo-axonale Kontakte außerhalb des Axonhügels, zwischen zwei Synapsen oder von elektrischen Synapsen zwischen zwei Axonen auch in anderen Hirnregionen noch nicht beschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass das olfaktorische Netzwerk eine zusätzliche Ebene an Komplexität durch einen neuen Typ von axo-axonalen Synapsen erhält und dass PIR-MD Synapsen der Klasse der thalamischen „Driver“-Synapsen angehören. Da der Begriff „Driver“ suggeriert, dass immer postsynaptische Aktionspotentiale ausgelöst werden können, dies aber experimentell nicht bestätigt werden kann, wird der kürzlich postulierte Begriff der „class I“ Synapsen übernommen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kuner, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 31 March 2016
Date Deposited: 11 Apr 2016 09:29
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Synapse, Thalamus
Uncontrolled Keywords: Piriform cortex, mediodorsal thalamus, giant driver synapse, class I synapse, cortico-thalamo-cortical loops, cortico-thalamic synapse, giant synapse, synaptic transmission
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