German Title: Biophysikalische Charakterisierung und Simulation von Schicht 2/3 Pyramidenzellen in der Hirnrinde während der postnatalen Entwicklung

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Abstract

Pyramidal neurons in layer 2/3 of the mammalian neocortex constitute the most abundant neocortical cell type, yet their biophysical properties are still poorly understood. In this thesis, fundamental properties of layer 2/3 pyramidal neurons of 1-to-6-weeks old rats were investigated with an approach combining in vitro electrophysiological characterization, reconstruction of cell morphologies, and numerical computer simulations. A specific goal was to identify ion channel mechanisms underlying the sub-threshold integrative properties of these cells and to reveal the developmental profile of channel expression. A simulated annealing algorithm was employed to numerically simulate layer 2/3 neurons and to generate valid models of varying complexity and constrained by experimental data. At all ages, layer 2/3 pyramidal neurons showed prominent anomalous rectification which could be attributed to inward-rectifier potassium (KIR) channels based both on pharmacological experiments and modeling. In contrast to other types of pyramidal neurons little hyperpolarization-activated current (Ih) was found. While morphological development essentially was complete at postnatal week 2, biophysical properties continued to change until week 4-6. In particular, input resistance strongly decreased with age, rendering the cells less excitable as the cortical network matures. Computer simulations showed that these properties will have a large impact on the integration of synaptic inputs during ongoing spontaneous activity in vivo. It is concluded, that layer 2/3 pyramidal neurons possess biophysical properties distinct from other pyramidal cells and that the prolonged postnatal development is critical for shaping synaptic integration and neocortical circuit activity in vivo.

Translation of abstract (German)

Pyramidenzellen der Schicht 2/3 sind der häufigste Zelltyp in der Hirnrinde (Neokortex) von Säugetieren. Trotzdem ist über ihre biophysikalischen Eigenschaften bisher wenig bekannt. In dieser Doktorarbeit wurden grundlegende Eigenschaften von Pyramidenzellen der Schicht 2/3 von 1 bis 6 Wochen alten Ratten untersucht. Hierzu wurden elektrophysiologische Messungen in vitro mit morphologischen Rekonstruktionen und numerischen Rechnersimulationen kombiniert. Insbesondere sollten in dieser Arbeit die Ionenkanäle, die den unterschwelligen integrativen Eigenschaften dieser Zellen zugrundeliegen, und die Entwicklung der Kanalexpression bestimmt werden. Ein simulierter Erstarrungs-Algorithmus wurde eingesetzt um valide Modelle unterschiedlichen Komplexitätsgrades zur Reproduktion experimenteller Daten zu erstellen. Zu allen Altern zeigten Schicht 2/3 Pyramidenzellen deutliche anomale Rektifizierung, die aufgrund pharmakologischer Experimente und aufgrund Simulationen auf einwärts-rektifizierende Kaliumkanäle (KIR) zurückzuführen war. Nur ein geringer hyperpolarisations-aktivierter Strom (Ih) wurde gefunden, sehr im Gegensatz zu anderen Pyramidenzelltypen. Während morphologische Veränderungen bis zur zweiten postnatalen Woche abgeschlossen waren, änderten sich die biophysikalischen Eigenschaften weiterhin bis Woche 4-6. Insbesondere der Eingangswiderstand sank mit steigendem Alter, wodurch die Zellen im reifenden kortikalen Netzwerk weniger erregbar wurden. In Computersimulationen hatten diese Eigenschaften starken Einfluss auf die Integration synaptischen Eingangs während spontaner in vivo Aktivität. Daraus kann geschlossen werden, dass Schicht 2/3 Pyramidenzellen biophysikalische Eigenschaften besitzen, die sich deutlich von denen anderer Pyramidenzelltypen unterscheiden, und dass die verhältnismäßig lange postnatale Entwicklung kritisch für die Entwicklung synaptischer Integration und kortikaler Aktivität in vivo ist.