German Title: Entwicklung von Zellen mit axontragendem Dendritenast im Hippocampus und primär somatosensorischen Kortex in Mäusen

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Abstract

In some neurons, axons originate from a basal dendrite, resulting in an axon-carrying dendrite (AcD) branch with unique functional features. Initial observations showed that the AcD has a privileged position, allowing circumvention of somatic inhibition and providing a highly efficient synaptic input channel, resulting in potentially distinct functional implications for overall network activity. Although AcD neurons have been described in numerous anatomical regions across species, their developmental profile and putative ability to remodel their axonal onset throughout their lifetime remains largely unknown. Therefore, this project investigated the early maturation profile of AcD neurons in comparison to nonAcD neurons in the murine ventral hippocampus (vHC) and primary somatosensory (S1) cortex, using a transgenic mouse line (Thy1-GFP-M). Additionally, to investigate large-scale morphological plasticity, I used immunofluorescence and live-cell imaging of neurons from the mouse primary somatosensory cortex in organotypic slice cultures. In a second approach, I employed an established in vivo paradigm to manipulate sensory input to layer V pyramidal cells in the barrel cortex. This study demonstrates that the proportion of AcD neurons peaks in juvenile mice and that Nav1.6 is clustered more distally in the axon initial segment of AcD neurons than in nonAcD neurons. Furthermore, neurons are indeed capable of changing the onset of their axon origin from somatic to dendritic and vice versa within a few days in vitro. Furthermore, the manipulation of sensory input drives large-scale morphological plasticity especially with regard to the axon onset in vivo. Altogether, the study contributes to the understanding of developmental and activity-dependent plasticity of a functionally important variant of mammalian pyramidal neurons.

Translation of abstract (German)

In einigen Neuronen entspringen die Axone aus dem basalen Dendriten, was zu einem axontragenden Dendritenast (AcD) mit einzigartigen funktionellen Merkmalen führt. Erste Beobachtungen haben gezeigt, dass der AcD eine privilegierte Position innehat, die es ermöglicht somatische Inhibition zu umgehen und einen besonders effizienten synaptischen Eingangskanal schafft, was sich möglicherweise auf die gesamte Netzwerkaktivität auswirkt. Obwohl AcD-Neurone in zahlreichen kortikalen Regionen bei verschiedenen Spezies beschrieben wurden, sind ihr Entwicklungsprofil und ihre Fähigkeit, den axonalen Ursprung im Laufe ihres Lebens als Reaktion auf Veränderungen der Netzwerkaktivität umzugestalten, noch weitgehend unbekannt. Daher untersuchte ich in diesem Projekt das frühe Reifungsprofil von AcD-Neuronen im Vergleich zu Nicht-AcD-Neuronen im ventralen Hippocampus (vHC) und primären somatosensorischen (S1) Kortex der Maus unter Verwendung einer transgenen Mauslinie (Thy1-GFP-M). Um die morphologische Plastizität im großen Maßstab zu untersuchen, verwendete ich außerdem Immunfluoreszenz und Live-Cell-Imaging von Neuronen aus dem primären somatosensorischen Kortex der Maus in organotypischen Schnittkulturen. In einem zweiten experimentellen Ansatz habe ich ein etabliertes in vivo-Paradigma angewandt, um den sensorischen Input in die Schicht-V- Pyramidenzellen im Barrel-Cortex zu manipulieren. Diese Studie zeigt, dass der Anteil an der AcD-Neuronen in jungen Mäusen ihren Höhepunkt erreicht und dass Nav1.6 im Axoninitialsegment von AcD-Neuronen weiter distal angesammelt ist als in Nicht-AcD-Neuronen. Außerdem sind Neurone tatsächlich in der Lage, innerhalb weniger Tage in vitro den Beginn ihres Axonursprungs von somatisch zu dendritisch und umgekehrt zu ändern, und dass die Manipulation des sensorischen Inputs eine umfangreiche morphologische Plastizität in vivo bewirkt. Insgesamt trägt die Studie zum Verständnis der entwicklungs- und aktivitätsabhängigen Plastizität einer funktionell wichtigen Variante von Pyramidenneuronen in Säugetieren bei.