German Title: Entwicklung phasischer und tonischer inhibitorischer GABAerger Ströme im Gyrus dentatus der Maus

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Abstract

The present thesis describes functional and morphological properties of interneurons and granule cell in developing mouse dentate gyrus, with special focus on inhibitory GABAergic currents. The dentate gyrus is the main hippocampal input structure receiving strong excitatory cortical afferents via the perforant path. Therefore, inhibition at the ‘hippocampal gate’ is important, particularly during postnatal development, when the hippocampal network is prone to seizures. During this critical period of development the intrinsic and synaptic properties of developing inhibitory interneurons were monitored in the molecular layer of mouse hippocampal slices. In this region, mainly calretinin‐positive cells of multipolar appearance were found. These GABAergic interneurons showed maturational changes of their intrinsic and synaptic properties after the first postnatal week. The maturation of molecular layer interneurons went along with faster and larger action potentials, increased repetitive firing, and increased frequency of spontaneous postsynaptic inhibitory currents. All developmental changes in intrinsic and synaptic properties occurred between postnatal day 6‐8 and postnatal day 9‐11, indicating a rapid functional maturation at the end of the first postnatal week. Age‐dependent changes of intrinsic and synaptic properties were also found in developing dentate gyrus granule cells. Similar to interneurons, mature dentate gyrus granule cells exhibited faster and larger action potentials and showed an increased frequency of spontaneous postsynaptic inhibitory currents. Thus, the integration of granule cells in the inhibitory synaptic network of dentate gyrus took place after the second postnatal week. The data shows a rapid functional maturation of intrinsic and synaptic properties of interneurons and granule cells in the dentate gyrus and an early integration into the synaptic networks. However, stratum molecular interneurons were integrated prior to granule cells in the dentate gyrus network, which is corresponding to their subsequent developmental appearance. Besides the influence of phasic synaptic inhibitory currents, throughout postnatal development the dentate gyrus network was also shown to be inhibited by tonic GABAergic currents. In dentate gyrus granule cells, tonic inhibitory currents were mediated by GABAA‐receptors containing α5‐ and δ‐ subunits. These extrasynaptic receptors were activated through the GABA in the extracellular space. The ambient transmitter was delivered by synaptic GABA release and regulated through GABA uptake by the GABA transporter‐1. The contribution of the main components to tonic inhibition was surprisingly stable during granule cell maturation. Throughout postnatal development, tonic inhibition reduced excitability of dentate gyrus granule cells by increasing action potential threshold. It further regulated hippocampal network excitability by preventing overexcitation of the dentate gyrus upon stimulation of entorhinal cortex. Functionally, tonic inhibiton was shown to influence the excitation/inhibition balance of both, the adult and the maturing dentate gyrus.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschreibt die funktionalen und morphologischen Eigenschaften von Interneuronen und Körnerzellen im sich entwicklenden Gyrus dentatus der Maus. Der Fokus liegt dabei auf den GABAergen inhibitorischen Stömen. Der Gyrus dentatus steht unter starker exzitatorischer Kontrolle durch den entrohinalen Cortex. Daher ist die Inhibition an der Eingangstruktur des Hippocampus wichtig, insbesondere während der postnatalen Entwicklung, in der das hippocampale Netzwerk besonders krampfanfällig ist. Während dieser kritischen Entwicklungsperiode wurden Interneurone der molekularen Schicht des Gyrus dentatus beobachtet. An akuten Hirnschnitten des Hippocampus wurden die intrinsischen und synaptischen Eigenschaften der sich entwickelnden Interneurone untersucht. In der Molekularschicht des Gyrus dentatus waren hauptsächlich multipolare Calretinin‐positive Zellen zu finden. Nach der ersten postnatalen Woche zeigten diese GABAergen Interneurone entwicklungsabhängige Änderungen in ihren intrinsischen und synaptischen Eigenschaften. Die Reifung der Interneurone in der Molekularschicht ging einher mit schnelleren und größeren Aktionspotenzialen, vermehrtem repetitiven Feurermuster und einer erhöhten Frequenz der spontanen inhibitorischen postsynaptischen Ströme. Diese entwicklungsabhängigen Veränderungen fanden alle zwischen dem postnatalen Tag 6‐8 und postnatalem Tag 9‐11 statt, was auf eine schnelle funktionelle Reifung der Interneurone am Ende der ersten Woche hinweist. Vergleichbar mit den Interneuronen entwickelten sich die Körnerzellen des Gyrus dentatus in ihren intrinsischen und synaptischen Eigenschaften. Reifere Körnerzellen hatten schnellere und größere Aktionspotenziale und eine gesteigerte Frequenz spontaner postsynaptischer inhibitorische Ströme. Die Einbindung der Körnerzellen in das synaptische Netzwerk des Gyrus dentatus fand erst nach der zweiten postnatalen Woche statt. Entsprechend der Reihenfolge ihrer Entstehung integrierten sich Interneurone und Körnerzellen nacheinander in das neuronale Netzwerk des Gyrus dentatus. Die erhobenen Daten zeigen eine schnelle funktionelle Reifung der Interneurone und Körnerzellen im Gyrus dentatus in ihren intrinsischen und synaptischen Eigenschaften und auch eine frühe Einbindung in das synaptische Netzwerk. Abgesehen von den phasischen synaptischen inhibitorischen Strömen war das Netzwerk des Gyrus dentatus während der Entwicklung auch durch tonische GABAerge Ströme beeinflusst. Tonische inhibitorische Ströme der Körnerzellen im Gyrus dentatus wurden durch die GABAA‐ Rezeptoren vermittelt, welche α5‐ and δ‐ Untereinheiten enthielten. Diese extrasynaptischen Rezeptoren wurden durch GABA im extrazellulären Raum aktiviert. Der die Zellen umgebende Transmitter wurde durch synaptische GABA‐Freisetzung bereit gestellt und durch GABA‐Aufnahme mit Hilfe des GABA Transporters GAT‐1 reguliert. Der Beitrag dieser Hauptkomponenten der tonischen Inhibition blieb während der Ausreifung der Körnerzellen überraschenderweise unverändert. Während der postnatalen Entwicklung verminderte tonische Inhibition die Erregbarkeit der Körnerzellen durch ein Anheben der Aktionspotenzialschwelle. Weiterhin regulierte die tonische Inhibtion die Erregbarkeit des hippocampalen Netzwerks, indem sie eine Übereregbarkeit des Gyrus dentatus nach Stimulation im entorhinalen Kortex verhinderte. Daher beeinflusste tonische Inhibition die Exitations/Inhibtions Balance auf funktioneller Ebene im adulten Gyrus dentatus ebenso wie im sich entwickelnden Gewebe.