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Original title:
Cellular mechanisms of visual processing in the mammalian brain 
Translated title:
Zelluläre Mechanismen der Verarbeitung visueller Reize des Gehirns von Säugetieren 
Year:
2017 
Document type:
Dissertation 
Institution:
Fakultät für Medizin 
Advisor:
Konnerth, Arthur (Prof. Dr.) 
Referee:
Adelsberger, Helmuth (Prof. Dr.); Ploner, Markus (Prof. Dr.) 
Language:
en 
Subject group:
BIO Biowissenschaften; MED Medizin 
TUM classification:
MED 602d 
Abstract:
In the canonical circuit of the mammalian visual cortex, visual information from the retina, through projections of the thalamic lateral geniculate nucleus (LGN), reaches layer 4 (L4) of the primary visual cortex (V1). This classical view on visual information processing was pioneered by the seminal work of Hubel & Wiesel, which established an influential model that orientation selectivity in V1 emerges at the information transfer from the LGN to L4. However, the generality of this model was challenged by recent findings in mice demonstrating that a large portion of orientation and direction selective neurons exist in the LGN. These findings implied the existence of alternative models for orientation selectivity, at least for the mouse visual system. In the present study, we used new methodological developments to study the cellular and circuit mechanisms of orientation selectivity in the mouse visual system. First, we performed two-photon calcium imaging of neuronal populations in L4 of the mouse V1 and identified highly responsive but orientation/direction selective neurons in L4 (super-responsive neurons, SR neurons). These SR neurons represent a small fraction of L4 neurons (about 5%) and fired more than 20 action potentials per second in response to preferred stimulus direction. Next, we targeted the SR neurons for dendritic calcium imaging and electrophysiological recording to study their apical tuft dendrites. Interestingly, these dendrites generated reliable dendritic calcium spikes to preferred direction of drifting gratings. The dendritic calcium spikes were proved to be NMDA-receptor dependent and required tuned synaptic inputs in layer 1. Furthermore, they correlated with high frequency somatic action potentials and contributed substantially to the output of SR neurons. In conclusion, our study revealed an important role of active apical tuft dendrites in visual processing in L4 of mouse V1 and provided new insights in cortical computation. 
Translated abstract:
Im weithin anerkannten neuronalen Schaltkreis des visuellen Kortex im Gehirn der Säugetiere, werden visuelle Informationen von der Retina, über den Corpus geniculatum laterale (LGN) des Thalamus, an die Neurone der Schicht 4 (L4) des primären visuellen Kortex weitergeleitet (V1). Diese klassische Sicht der Signalverarbeitung visueller Informationen wurde von den Pionieren Hubel & Wiesel eingeführt, die das maßgebende Model entwarfen, in dem Orientierungsselektivität im Signaltransfer zwischen LGN und Schicht 4 des Kortex aufkommt. Allerdings hält diese vereinfachte Sicht neuen Erkenntnissen der Forschung nicht stand, da orientierungs- und richtungsselekive Neuronen auch im LGN nachgewiesen wurden. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es alternative Modelle der Entstehung von Orientierungsselektivität existieren müssen, zumindest im visuellen System der Maus. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir neue technische Entwicklungen angewandt, um zelluläre und Netzwerk-Mechanismen der Orientierungsselektivität einzelner Neurone des visuellen Systems der Maus nachzuvollziehen. Zuerst wurden Zwei-Photonen Kalziummessungen neuronaler Zellpopulationen in Schicht 4 des visuellen Kortex der Maus durchgeführt, wobei stark antwortende sowie orientierungs-/richtingsselektive Neuronen in Schicht 4 identifiziert wurden (“super-antwortende” Neuronen, SA Neuronen). Diese SA Neuronen stellen einen kleinen Anteil der Schicht 4 Neuronen dar (ca. 5%) und antworten mit mehr als 20 Aktionspotentialen pro Sekunde auf die bevorzugte Richtung des visuellen Stimulus. Um gezielt die Tuftdendriten dieser SA Neuronen zu untersuchen, wurden dendritische Kalziummesungen und elektrophysiologische Messungen dieser Zellen durchgeführt. Interessanterweise antworteten diese Dendriten zuverlässig mit dendritischen Kalziumspikes auf die bevorzugte Richtung des Bewegungsmusters. Es wurde gezeigt, dass die Kalziumspikes abhängig von NMDA-Rezeptoren sind und richtungsspezifische synaptische Inputs in Schicht 1 benötigen. Des Weiteren traten sie in Korrelation mit hochfrequenten somatischen Aktionspotentialen auf und trugen maßgeblich zu den Output-Signalen der SA Neuronen bei. Zusammenfassend identifiziert unsere Studie die wichtige Bedeutung der aktiven apikalen Tuftdendriten im Hinblick auf die Verarbeitung visueller Informationen in Schicht 4 des primären visuellen Kortex der Maus auf und lieferte neue Erkenntnisse zur kortikalen Signalverarbeitung. 
Oral examination:
25.09.2017 
File size:
3261319 bytes 
Pages:
79 
Last change:
24.09.2018