Login
Original title:
Dendritic organization of sensory inputs in cortical neurons in vivo
Translated title:
Dendritische Organisation der sensorischen Eingänge in kortikalen Neuronen in vivo
Author:
Jia, Hongbo
Year:
2011
Document type:
Dissertation
Institution:
Fakultät für Medizin
Advisor:
Konnerth, Arthur (Prof. Dr.)
Referee:
Sakmann, Bert (Prof. Dr.); Konnerth, Arthur (Prof. Dr.); Misgeld, Thomas (Prof. Dr.)
Language:
en
Subject group:
MED Medizin
Keywords:
Cortex, Neuron, Dendrite, Synapse, in vivo, Two-photon microscopy, calcium imaging
Abstract:
Mammalian cortical neurons compute sensory information that arrives through numerous synaptic inputs located on their dendrites. These inputs are essential for various computational functions of neurons. However, it has long been a major challenge to identify sensory stimulation-activated individual synaptic inputs in cortical neurons in vivo. I have implemented and applied the combined method of two-photon calcium imaging and whole-cell patch-clamp recording to study layer 2/3 cortical neurons in mouse visual cortex and identified orientation-specific dendritic input sites for the first time. When the neuron was slightly hyperpolarized just below action potential firing threshold, multiple dendritic calcium hotspots could be observed upon visual stimulation of a given orientation. These hotspots were spatially restricted to small dendritic domains and sensitive to NMDA receptor antagonist, thus representing sensory evoked synaptic input sites. An important finding was that input sites with different orientation preference were intermingled throughout the dendritic tree. Furthermore, all neurons received multiple inputs of different orientation preferences, regardless whether the action potential output had a specific preference or not.
Overall, I have established the combined method of in vivo whole-cell recording and two-photon calcium imaging and implemented efficient data analysis algorithms for studying sensory evoked dendritic inputs in mammalian cortical neurons in vivo. Articles involving these major findings have been published or accepted by peer-reviewed journals. As a result, this dissertation is composed of the accumulation of related articles together with brief summary and specification of personal contributions.
Translated abstract:
Nervenzellen im Kortex verarbeiten Informationen, die über Synapsen auf ihrem Dendritenbaum eingehen. Diese synaptischen Eingänge sind essentiell für die Rechenfunktion von Neuronen. Allerdings ist es seit langem eine Herausforderung, die spezifisch durch sensorische Stimulation aktivierten synaptischen Eingänge der kortikalen Neurone in vivo zu identifizieren. Deswegen habe ich im Rahmen dieser Doktorarbeit das Zwei-Photonen-Kalzium-Imaging mit der Whole-Cell-Patch-Clamp-Technik kombiniert und auf kortikale Neurone der Schicht 2/3 des visuellen Kortex der Maus angewandt. Ich habe damit zum ersten Mal Orientierungs-spezifische dendritische Eingänge in vivo identifiziert: wenn die Nervenzelle knapp unter die Aktionspotential-Auslöseschwelle hyperpolarisiert wurde, konnten mehrere dendritische „Kalzium-Hotspots“, die durch visuelle Stimulation mit einer bestimmten Orientierung aktiviert wurden, beobachtet werden. Diese Hotspots waren in ihrer Ausbreitung auf kleine dendritische Areale (wenige Mikrometer groß) beschränkt und konnten durch einen NMDA-Rezeptor-Antagonisten blockiert werden. Somit stellten sie spezifische sensorisch-evozierte synaptische Eingänge dar. Eine wichtige Erkenntnis war, dass synaptische Eingänge mit unterschiedlicher Orientierungspräferenz im Dendritenbaum vermischt zu finden waren. Darüber hinaus erhielten Neurone Eingänge mit unterschiedlicher Orientierungspräferenz, unabhängig davon, ob das neuronale Ausgangssignal, bestehend aus Aktionspotentialen, eine bestimmte Präferenz aufwies.
Insgesamt habe ich die Kombination des Zwei-Photonen-Kalzium-Imagings mit der Whole-Cell-Patch-Clamp-Technik für Experimente in vivo etabliert und effiziente Algorithmen zur anschließenden Datenanalyse erstellt. Beides wurde für die Untersuchung der sensorisch-evozierten dendritischen Eingänge in kortikalen Neuronen in vivo verwendet. Artikel, die die wichtigen Ergebnisse beinhalteten, wurden in von Experten begutachteten Zeitschriften („peer-reviewed journals“) publiziert oder zur Veröffentlichung akzeptiert. Dieser Dissertation sind diese Artikel beigefügt. Außerdem findet sich eine Einleitung, eine Kurz-Zusammenfassung der Ergebnisse unter genauer Angabe meines persönlichen Beitrags zu diesen Ergebnissen.
Date of submission:
09.08.2011
Oral examination:
04.11.2011
File size:
9764878 bytes
Pages:
87
Last change:
30.11.2011
BibTeX