Input-Output Functions of Sensory Neurons in the Central Nervous System with Focus on the Physiological Basis underlying Information Transfer in the VNLL

Diese Thesis behandelte zwei Aspekte: erstens die Universalität intrinsisch abgestimmter Eingangs-Ausgangsfunktionen von Neuronen des zentralen Nervensystems (ZNS), welche an der sensorischen Informationsverarbeitung beteiligt sind. Zweitens die detaillierte Untersuchung der physiologischen Basis von zeitlich präziser Informationsweitergabe, anhand einer ausgewählten Neuronenpopulation im ventralen Teil des Ventralen Kerns des Lateralen Lemniscus‘ (vVNLL) eines Säugers, welche in die auditorische Verarbeitung involviert ist. Das intrinsische Abstimmen von Neuronen auf bestimmte Stimulus-Charakteristika ist eine weit verbreitete Funktion für das neuronale zentrale Filtern eingehender sensorischer Information, beispielsweise auf der Ebene intrinsischer Frequenzabstimmung. Sie ermöglicht die Einrichtung von Frequenz-Filterbanken, welche die akkurate zentrale Diskriminierung und Verarbeitung sensorischer Eingänge ermöglichen. Um die Universalität neuronaler intrinsischer Frequenzabstimmung über Vertebraten und Invertebraten und über verschiedene sensorische Systeme hinweg zu demonstrieren, wurden intrazelluläre Ableitungen in drei Typen mechano-sensorischer Neurone in Segmentganglien des Blutegels, sowie Ganz-Zell Patch-Clamp Ableitungen in einer Auswahl von Neuronenpopulationen im auditorischen Hirnstamm von Säugetieren durchgeführt. Letztere umfasste Neurone der medialen und lateralen superioren Olive (MSO und LSO) und des vVNLL, welche unterschiedliche Aufgaben bei der auditorischen Informationsverarbeitung übernehmen. Neuronale Frequenzabstimmung wurde sowohl auf dem unter- als auch auf dem überschwelligen Level untersucht, und zwar in Form von unterschwelliger Membranpotenzialresonanz in Säugetier- und in Form von Aktionspotenzialraten in Blutegelneuronen. Membranpotenzialresonanz ist eine gut erforschte intrinsisch abgestimmte dynamische Funktion zur Amplifizierung spezifischer Eingangsfrequenzen und basiert auf unterschwelliger Membranpotenzialoszillation. Neurone, die membrandepolarisierend unterschwellig resonieren, antworten stärker auf Stimuli nahe ihrer Resonanzfrequenz (Rf) und schwächer auf Stimuli, die sich von ihrer Rf unterscheiden. Die Ergebnisse zeigen neuronale intrinsische Frequenzabstimmung in beiden Tiermodellen: Zum ersten Mal wurden mechano-sensorische Neurone im Blutegel entsprechend ihrer frequenzabhängigen Erregbarkeitsprofile charakterisiert, welche Tief-, Band- und Hochpassfiltereigenschaften zeigten. Darüber hinaus zeigten Neurone des auditorischen Hirnstamms in Säugetieren populationsspezifische Rf. Zusammen mit intrinsischer Intensitätsabstimmung, scheint die Rf von hoher Wichtigkeit für die zentrale Stimulusdiskriminierung im ZNS der Säugetiere zu sein. In allen hier getesteten Neuronentypen hing die hochfrequente membrandepolarisierende Rf von einem einzigen Parameter β ab, welcher auf die Undichtheit der Membran und auf schnelle Membranzeitkonstanten zurückzuführen ist, wie sie in den getesteten auditorischen Hirnstammneuronen vorkommen. Diese Studie zeigte ferner die physiologische Basis der Membranresonanz in MSO und LSO Neuronen, welche im Falle tieffrequenter membranhhyperpolarisierender Rf aktiven hyperpolarisations-aktivierten zyklischen Nukleotid Kation (HCN) Kanälen beigemessen wurde. Die hochfrequente membrandepolarisierende Rf ist höchstwahrscheinlich Kaliumkanälen zuzuschreiben. Es ist das erste Mal, dass HCN Kanäle im Zusammenhang mit Resonanz bei juvenilen MSO Neuronen nachgewiesen wurden. Der zweite Aspekt dieser Thesis untersuchte die physiologische Basis des synaptischen Informationstransfers. Im VNLL gibt es eine große somatische Synapse, welche von Axonen geformt wird, die von Oktopus-Zellen des cochleären Nukleus entspringen und welche auf globuläre VNLL Neurone projizieren. An dieser Synapse klingen exzitatorische postsynaptische Ströme (EPSCs) schnell ab, was diese Synapse, die zeitlich akkurate Informationsverarbeitung vermittelt, zu einer optimalen Zielstruktur zur Untersuchung synaptischer Mechanismen macht. Überschwellige Antworten von VNLL Neuronen erfolgen zu Stimulus Beginn. Darüber hinaus können sie bei anhaltender Amplitudenmodulierter (AM) Stimulation hohe Feuerraten generieren. Somatische Ganz-Zell Patch-Clamp Ableitungen zeigten die physiologische Basis dieses Feuerverhaltens, und verifizierten ein bi-exponentiell abfallendes EPSC, vermittelt von alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionsäure Rezeptoren (AMPARs) und N-methyl-D-Aspartat Rezeptoren (NMDARs). Es wurde angenommen, dass diese exzitatorischen synaptischen Ströme eine Schlüsseleigenschaft des schnellen und präzisen Informationstransfers an der VNLL Synapse sind. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die frequenzabhängige Kurzzeitplastizität (STP) der EPSCs, welche sich in Form von Kurzzeitfaszilitierung (STF) für paarige Pulse gefolgt von einer Kurzzeitdepression (STD) ausdrückt, zeitlich präzise Aktionspotentialgenerierung in VNLL Neuronen auf physiologisch relevanten Ebenen sicherstellt. Dabei unterstützt die STF sichere Anfangsinhibition, welche die VNLL Neurone für Neurone des nachgeschalteten Inferioren Colliculus bereitstellen, und die STD das Herausfiltern hochfrequenter Eingänge. Während hochfrequenter Stimulation wird durch die Anhäufung NMDAR vermittelter Ströme anhaltende Inhibition zu nachgelagerten Strukturen bereitgestellt, die der STD entgegenwirken. Zusammen mit der identifizierten niedrigen Rf, legen die Ergebnisse nahe, dass VNLL Neurone in der Informationsweitergabe tieffrequenter umhüllender Strukturen von AM Stimulationen involviert sind, wie sie bei der intraspezifischen Vokalisation vorkommen. Diese Thesis ergab zwei Publikationen und ein Manuskript, welche die experimentellen Methoden, erhaltenen Ergebnisse, Datenanalysen und –Interpretationen beschreiben.