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New biophysical methods for the characterization of signal transfer in neurons

Roth, Arnd

German Title: Neue biophysikalische Methoden zur Charakterisierung der Signalübertragung in Nervenzellen

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Abstract

Many neurons have extensive dendritic trees, and therefore somatic voltage clamp of dendritic synapses is often associated with substantial distortion and attenuation of the synaptic currents. A new method is presented which permits faithful extraction of the decay time constant of the synaptic conductance independent of dendritic geometry and the electrotonic location of the synapse. The decay time course of the synaptic conductance was recovered with high accuracy in all the tested geometries, even with high series resistances, low membrane resistances, and electrotonically remote, distributed synapses. The method also provides the time course of the voltage change at the synapse in response to a somatic voltage clamp step, and thus will be useful for constraining compartmental models and estimating the relative electrotonic distance of synapses. Action potential propagation in dendrites links information processing in different regions of the dendritic tree. In simulations using compartmental models with identical complements of voltage-gated channels, different dendritic branching patterns caused a range of backpropagation efficacies, similar to that observed experimentally. Dendritic geometry also determines the extent to which modulation of channel densities can affect propagation. Forward propagation of dendritically initiated action potentials is influenced by geometry in a similar manner. By determining the spatial pattern of action potential signalling, dendritic geometry thus helps to define the size and interdependence of functional compartments in the neuron.

Translation of abstract (German)

Viele Nervenzellen besitzen ausgedehnte Dendritenbäume, und die somatische Spannungsklemme dendritischer Synapsen führt daher zu Verzerrungen und Abschwächungen der gemessenen synaptischen Ströme. Eine neue Methode wird vorgestellt, die die genaue Bestimmung der Abfallszeitkonstante der synaptischen Leitfähigkeit, unabhängig von der Geometrie der Zelle und dem elektrotonischen Ort der Synapse, erlaubt. In allen getesteten Geometrien wurde der Zeitverlauf der synaptischen Leitfähigkeit auch bei hohen Serienwiderständen, geringen Membranwiderständen und distalen, verteilten Synapsen mit hoher Genauigkeit rekonstruiert. Die Methode liefert auch den Zeitverlauf der Spannungsantwort am Ort der Synapse auf einen somatischen Spannungssprung, und ist daher nützlich bei der Konstruktion von Kompartimentmodellen von Nervenzellen und zur Abschätzung des relativen elektrotonischen Abstands von Synapsen. Die Ausbreitung dendritischer Aktionspotentiale verbindet die Informationsverarbeitung in verschiedenen Regionen des Dendritenbaums. Trotz identischer Vorschriften für die Platzierung von spannungsgesteuerten Kanälen verursachten verschiedene dendritische Verzweigungsmuster in Kompartimentmodellen von Nervenzellen eine Verteilung verschieden starker Aktionspotentialausbreitung, wie sie auch experimentell beobachtet wird. Das Verzweigungsmuster bestimmt auch, zu welchem Grad die Modulation von Kanaldichten die Aktionspotentialausbreitung verändern kann. Die Vorwärtsausbreitung dendritisch initiierter Aktionspotentiale wird von der Geometrie auf ähnliche Weise beeinflusst. Indem sie das räumliche Muster der Aktionspotentialausbreitung bestimmt, trägt die dendritische Geometrie maßgeblich dazu bei, die Größe und Wechselwirkung zwischen funktionellen Kompartimenten in einer Nervenzelle zu bestimmen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Sakmann, Prof. Dr. Bert,
Date of thesis defense: 21. April 2004
Date Deposited: 27. Apr 2004 10:34
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Neuron, Synapse, Voltage-Clamp-Methode, Aktionspotenzial, Patch-Clamp-Methode, Spine, Kompartimentmodell, Nervennetz / Modell
Uncontrolled Keywords: Dendrit , Neocortex , Synaptischer Strom , Kabelmodell , Dendritische InformationsverarbeitungSpace clamp , Voltage Clamp , Dendritic Spike , Cable Equation , Single Neuron Computation
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