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Integration of Olfactory Bulb Output in the Zebrafish Telencephalon analyzed by Electrophysiology and 2-Photon Ca2+ - Imaging

Saint Paul, Francisca von

German Title: Integration des Outputs des Bulbus Olfactorius im Zebrafisch Telencephalon analysiert mittels Elektrophysiologie und 2-Photonen Ca2+ - Imaging

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Abstract

To understand how the brain generates representations of the external world it is crucial to analyze the processing of sensory information between early processing centers and higher brain regions. In the first olfactory relay, the olfactory bulb (OB), odors are represented by dynamic patterns of activity across the population of principal neurons, the mitral cells. During an odor response, subsets of mitral cells synchronize their action potentials and convey information that is different from the information contained in non-synchronized firing patterns. It is, however, poorly understood how these combinatorial representations are further processed in higher brain areas. I used a small vertebrate model system, the zebrafish, to examine how neurons in the dorsal posterior telencephalon (Dp), a direct target of OB output that is homologous to olfactory cortex, extract information from OB output activity patterns. Using 2-photon Ca2+ - imaging and whole-cell patch-clamp recordings, I found that individual Dp neurons receive input from diverse sets of mitral cells. Unlike in mitral cells, responses of Dp neurons to binary mixtures of odors could not be predicted from their responses to the components. Electrophysiological and pharmacological results demonstrated that suprathreshold responses are controlled by the convergence of excitatory and inhibitory pathways in single Dp neurons. I next analyzed the temporal integration properties of neurons and neuronal circuits to examine whether neurons in Dp may selectively extract the information contained in synchronized mitral cells spikes. No evidence for coincidence detection mechanisms was found; rather, action potential firing is controlled primarily by a slow membrane depolarization. In conclusion, the readout of information in Dp is determined by a balance of slow excitatory and inhibitory inputs that allows Dp neurons to detect defined patterns of excitation and inhibition across the population of mitral cells in the olfactory bulb. This mechanism does not depend on the synchronization of inputs and mediates the association of information about multiple molecular features of an odor stimulus. Together, these data suggest that neurons in Dp form synthetic representations of olfactory objects.

Translation of abstract (German)

Um zu verstehen, wie das Gehirn eine interne Repräsentation der externen Welt generiert, ist es notwendig, die Verarbeitung sensorischer Information zwischen peripheren Zentren und höheren Hirnarealen zu untersuchen. Im ersten olfaktorischen Verarbeitungszentrum, dem Bulbus olfactorius (OB), werden Gerüche durch dynamische Aktivitätsmuster von Mitralzellen repräsentiert. Während einer Geruchsantwort synchronisieren Gruppen von Mitralzellen ihre Aktionspotenziale und transportieren Stimulusinformation, die sich von der Information in nicht synchronisierten Feuermustern unterscheidet. Die weitere Verarbeitung dieser kombinatorischen Repräsentationen in höheren Hirnarealen ist jedoch noch kaum verstanden. Ich habe ein kleines Wirbeltiermodell, den Zebrafisch, verwendet, um zu untersuchen, wie Neurone im posterioren dorsalen Telencephalon (Dp), einem dem olfaktorischen Cortex homologen Projektionsgebiet des OB, Information aus Aktivitätsmustern im OB extrahieren. Mithilfe von 2-Photonen Ca2+ - Imaging und intrazellulären Ableitungen einzelner Zellen habe ich herausgefunden, dass einzelne Dp Neurone Inputs von mehreren Mitralzellen erhalten. Im Gegensatz zu Mitralzellen konnten die Antworten der Dp Neurone auf binäre Geruchsmixturen nicht anhand der Antworten auf die Komponenten vorhergesagt werden. Elektrophysiologische und pharmakologische Experimente zeigten, dass überschwellige Antworten durch die Konvergenz erregender und inhibitorischer Synapsen kontrolliert werden. Untersuchungen der zeitlichen Integrationseigenschaften von Neuronen und Schaltkreisen lieferten keinerlei Hinweise dafür, dass Dp selektiv Information ausliest, die durch synchronisierte Aktionspotentiale transportiert wird. Vielmehr scheint das Feuern von Aktionspotenzialen in Dp primär durch eine langsame Membrandepolarisation bestimmt zu sein. Das Auslesen von Information in Dp ist daher durch ein Gleichgewicht langsamer erregender und hemmender Inputs bestimmt, das es Dp Neuronen ermöglicht, definierte Mitralzell-Aktivitätsmuster zu detektieren. Dieser Mechanismus hängt kaum von der Synchronisation der Eingänge ab und vermittelt die Assoziation zwischen verschiedenen molekularen Determinanten eines Geruchsstimulus. Diese Daten weisen darauf hin, dass Neurone in Dp synthetische Repräsentationen olfaktorischer Objekte erzeugen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Friedrich, Dr. PD Rainer W.
Date of thesis defense: 18 June 2009
Date Deposited: 02 Jul 2009 14:13
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Uni-externe Einrichtungen
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: olfaction , olfactory cortex , zebrafish , Ca2+ - Imaging
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