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Pharmacological analysis of ionotropic glutamate and GABA receptor function in neuronal circuits of the zebrafish olfactory bulb

Tabor, Rico

German Title: Pharmakologische Untersuchung der Funktionen ionotroper Glutamat- und GABA-Rezeptoren in den neuronalen Schaltkreisen des olfaktorischen Bulbus im Zebrafisch

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Abstract

In the olfactory bulb and other brain areas, basic cellular and synaptic properties of individual neurons have been studied extensively in reduced preparations. Nevertheless, it is still poorly understood how intactions between multiple neurons shape spatio-temporal activity patterns and give rise to the computational properties of the the intact circuit. In this thesis, I used pharmacological manipulations of excitatory and inhibitory neurotransmitter receptors to examine the synaptic interactions underlying spontaneous and odor-evoked activity patterns in the intact olfactory bulb of zebrafish. Electrophysiological and one- and two-photon calcium imaging methods were used to record activity from the principal neurons of the OB (mitral cells, MCs), their sensory input, and local interneurons. The combined blockade of AMPA/kainate and NMDA receptors abolished odor-evoked excitation of MCs, indicating that sensory input to the OB is mediated by ionotropic glutamate receptors. Surprisingly, however, the blockade of AMPA/Kainiate receptors alone increased the mean response of MCs and decreased the mean response of interneurons (INs), and the blockade of NMDA receptors caused little or no change in the mean responses of MCs and INs. In addition, antagonists of both glutamate receptor types had diverse effects on the magnitude and time course of individual MC and IN responses and, thus, changed spatio-temporal activity patterns across neuronal populations. The blockade of GABA(A) receptors increased spontaneous and odor evoked firing rates of mitral cells and often induced rhythmic bursting. Moreover, the blockade of, GABA(A) or AMPA/kainate receptors abolished fast oscillatory activity in the local field potential. Blockade of GABA(B) receptors reduced calcium influx in afferent sensory axons and modulated response time courses of mitral cells. These results indicate that (1) IN activity during an odor response depends mainly on AMPA/Kainiate receptor input, (2) interactions between MCs and INs regulate the total OB output activity, (3) AMPA/Kainiate receptors and GABA(A) receptors underly the synchronization of odor-dependent neuronal ensembles and (4) odor-specific patterns of OB output activity are shaped by circuits containing iGlu receptors and GABA receptors. These results provide insights into the mechanisms underlying the processing of odor-encoding activity patterns in the OB.

Translation of abstract (German)

Im olfaktorischen Bulbus (OB) und anderen Hirnarealen wurden grundlegende zelluläre und synaptische Eigenschaften der Einzelneurone ausführlich in reduzierten Präparaten studiert. Trotzdem ist kaum bekannt, wie die Interaktionen mehrerer Nervenzellen untereinander räumlich-zeitlich strukturierte Aktivitätsmuster formen und dadurch die rechnerischen Eigenschaften der intakten Schaltkreise entstehen. In dieser Arbeit nutzte ich pharmakologische Manipulationen der erregenden und hemmenden Neurotransmitter-Rezeptoren, um die synaptischen Interaktionen zu untersuchen, die spontanen und geruchsinduzierten Aktivitätsmustern im intakten OB des Zebrafisch zugrunde liegen. Methoden der Elektrophysiology sowie der konventionellen und Zwei-Photonen-Mikroskopie wurden genutzt, um Aktivität von Ausgangsneuronen des OB (Mitralzellen, MCs), ihrem sensorischen Eingang, und Interneuronen (INs) zu messen. Die gleichzeitige Blockierung von AMPA/Kainate- und NMDA-Rezeptoren verhinderte die geruchsinduzierte Erregung von MCs, was darauf hinweist, dass der sensorische Eingang des OB durch ionotrope Glutamatrezeptoren vermittelt wird. Die Blockierung von AMPA/Kainate Rezeptoren allein jedoch erhöhte überraschender Weise im Mittel die Antwort von MCs und reduzierte im Mittel die Antwort von INs. Die Blockierung von NMDA Rezeptoren allein lösten im Mittel geringe oder keine Veränderung der Antworten von MCs and INs aus. Außerdem hatten die Antagonisten für beide Glutamatrezeptoren unterschiedliche Einflüsse auf Größe und Zeitverlauf individueller MC- und IN- Antworten und veränderten daher das räumlich-zeitliche Aktivitätsmuster innerhalb der Nervenzellpopulation. Die Blockierung von GABA(A)-Rezeptoren erhöhte spontane und geruchsinduzierte Feuerraten in MCs und induzierten oft rhythmische, stoßweise Aktivität. Die Blockierung von GABA(A)- und AMPA/Kainate-Rezeptoren hob überdies geruchsinduzierte Oszillationen im Feldpotenzial auf. Die Blockierung von GABA(B)-Rezeptoren verringerte den Kalziumeinstrom in die Endigungen afferenter sensorischer Axone und modulierte den Zeitverlauf von MC-Antworten. Die Ergebnisse zeigen, dass (1) die Aktivität der Interneurone während der Geruchsantwort hauptsächlich von AMPA/Kainate-Rezeptoren abhängt, (2) die Interaktionen zwischen Mitralzellen und Interneuronen die Gesamtaktivität des Ausgangssingnales des olfaktorischen Bulbus regulieren, (3) AMPA/Kainate-Rezeptoren und GABA(A)-Rezeptoren der Synchronisation geruchsabhängiger Gruppen von Nervenzellen zugrunde liegen und (4) geruchsspezifische Muster im Ausgangssignal des olfaktorischen Bulbus durch Schaltkreise geformt werden, die iGlu Rezeptoren und GABA Rezeptoren enthalten. Diese Ergebnisse ermöglichen Einblick in die Mechanismen die der Verarbeitung geruchskodierender Aktivitätsmuster im olfaktorischen Bulbus unterliegen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Frings, Prof. Dr. Stephan
Date of thesis defense: 4 April 2008
Date Deposited: 10 Apr 2008 12:30
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: NMDA-Rezeptor, GABA-Rezeptor, Patch-Clamp-Methode, Zebrabärbling, Neurophysiologie, Sinne, Geruch, Aktionspotenzial, Calciumion
Uncontrolled Keywords: olfactory bulb , zebrafish , patch-clamp technique , NMDA-receptors , GABA-receptors
Additional Information: Teile in: Tabor R, Friedrich RW; PLoS ONE. 2008 Jan9,3(1):e1416
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