Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Synaptically evoked input-output functions in auditory brainstem nuclei

This thesis aimed to investigate biophysical specializations of four auditory brainstem nuclei, the ventral nucleus of the lateral lemniscus (VNLL), the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB), the medial superior olive (MSO) and the dorsal nucleus of the lateral lemniscus (DNLL). Neurons of each nucleus show distinct membrane and synaptic properties and perform individual tasks of auditory information processing.
To biophysically characterize those nuclei, we employed electrophysiological methods on acute brain slices from pre-hearing and matured Mongolian gerbils and assessed the developmental changes in membrane and synaptic properties. Employing strength-duration curves, we were able to reliably estimate the number of minimum excitatory fibers needed to elicit onset and ongoing action potentials. Additionally, we detected the distinct expression and distribution of low and high voltage-activated potassium currents, and assessed the effect of acoustic experience in calcium signaling in the MSO. Finally, we investigated biophysical properties of MNTB neurons from a high frequency hearing specialist, the bat Phyllostomus discolor, and evaluated the action potential generation and temporal fidelity of these neurons.
The VNLL receives large axosomatic synapses, emerging from contralateral octopus cells of the posterior ventral cochlear nucleus as well as inhibitory projections from the ipsilateral MNTB, thus processing monaural sound information. Multiple synapses converge on a single juvenile VNLL neuron, but after hearing onset, there is evidence of a functional one-to-one information transfer. The mature synapses mediate large, glutamatergic excitatory postsynaptic currents (EPSCs) and principal VNLL neurons integrate and convert the EPSCs to temporally accurate glycinergic output. In the VNLL, synaptic currents depress less compared with synapses from other auditory nuclei at frequencies up to 100 Hz, but short-term depression (STD) is prevalent at 300 Hz. However, short-term facilitation emerges for 100 and 300 Hz. We conclude that the VNLL cells, acting as temporally accurate relay neurons, encode bursts of activity more efficiently, and we speculate that their inhibitory output serves as a silence factor at higher processes.
The MNTB also receives large, axosomatic synapses, called calyces of Held that emerge from globular bushy cells of the contralateral anterior ventral cochlear nucleus. It processes monaural acoustic information and maintains the termporal accuracy of the cochlear nucleus. Every principal MNTB neuron is innervated by a single calyx. As in the VNLL, MNTB neurons receive large EPSCs and convert them to glycinergic output, targeting the MSO and the lateral superior olive (LSO), two nuclei central to sound localization processing. To accommodate their temporal precision and repetitive firing, MNTB neurons highly express voltage-activated Kv1.1 and Kv3.1 potassium channels. We demonstrated that the MNTB neurons are able to maintain firing at high frequencies. Bat MNTB neurons resembled those of gerbils, both in membrane and synaptic properties, indicating a similar functional role in the auditory circuitry. They are temporally accurate at onset stimulation, but temporal stability might be lost at high input-output functions. Additionally, the prominent short-term facilitation that emerges at sound bursts might boost accuracy and guarantee output generation.
MSO neurons receive bilateral excitatory inputs from the cochlear nuclei at their dendrites, and axosomatic, glycinergic inhibition from the MNTB and the lateral nucleus of the trapezoid body (LNTB). The MSO is implicated in the sound localization of low frequency tones in the azimuth. These cues arrive in both ears with sub-millisecond differences, called interaural time differences (ITDs). The rate coding of ITDs depends on coincident arrival of excitatory synaptic inputs and tuned by binaural inhibitory signals. Coincidence detection is supported by the low input resistance of MSO neurons, which is facilitated by enhanced expression of low and high voltage-activated potassium channels that are open at rest, and hyperpolarization-activated currents (Ih). The fast EPSC kinetics that emerge from GluR2-lacking glutamate receptors further promote coincident synaptic transmission. Output generation is supported at higher stimulation frequencies, probably boosted by intrinsic resonance frequencies. Masking ITD cues, while enhancing acoustic stimuli at the critical post-hearing period, accelerates the developmental calcium signaling refinement without affecting biophysical properties. Overall, postnatal development gives rise to highly specialized coincident integrators.
The DNLL lies ventrally to the inferior colliculus (IC) in the fiber bundle of the lateral lemniscus. It is innervated by nuclei of the superior olivary complex (SOC) and projects GABAergic axons to the IC, and the contralateral DNLL through the commisures of Probst, retaining sensitivity to both ITDs and interaural intensity differences (IIDs). DNLL neurons are highly excitable and may elicit action potentials at rest in vitro. Nevertheless, they lose temporal fidelity when stimulated with high frequencies, requiring multiple summating inputs to produce faithful output, thereby acting as temporal integrators. NMDAR-mediated currents boost action potential generation in a frequency-dependent manner. DNLL neurons show postsynaptic modifications in input integration that is presumably caused by inactivation of sodium or potassium channels.
Overall, this study provided a compact developmental and biophysical characterization of four auditory brainstem nuclei that are involved in different aspects of sound perception. The development of membrane time constant τ and EPSC decay time are distinct in the different nuclei and support the stimulus time relationship in the auditory brainstem circuitry. Moreover, the relationship between τ and EPSC, describing their biophysical relay and integration properties matches with their synaptic aspects.

Ziel dieser Arbeit war es, biophysikalische Spezialisierungen von vier auditorischen Hirnstammkernen, dem ventralen Kern des lateralen Lemniscus (VNLL), dem medialen Kern des Trapezkörpers (MNTB), der medialen oberen Olive (MSO) und dem dorsalen Kern des lateralen Lemniscus (DNLL) zu untersuchen. Neuronen der spezifischen Kerne zeigen unterschiedliche Membran- und synaptische Eigenschaften und führen individuelle Aufgaben der auditorischen Informationsverarbeitung aus.
Um diese Kerne biophysikalisch zu charakterisieren verwendeten wir elektrophysiologische Methoden an akuten Hirnschnitten von Mongolischen Rennmäusen jeweils vor Hörbeginn und im gereiften Stadium und bewerteten die Entwicklungsänderungen der Membran- und synaptischen Eigenschaften. Mithilfe von Kraft-Dauer-Kurven konnten wir die Anzahl der minimalen exzitatorischen Fasern, die erforderlich sind, um den Beginn und fortwährende Aktionspotentiale hervorzurufen, zuverlässig abschätzen. Gleichzeitig haben wir die unterschiedliche Expression und Verteilung von durch niedrige und hohe Spannung aktivierten Kaliumströmen festgestellt und den Effekt der akustischen Erfahrung bei der Kalziumsignalisierung in der MSO bewertet. Schließlich untersuchten wir die biophysikalischen Eigenschaften des MNTB in einem Hochfrequenz-Hörspezialisten, der Fledermaus Phyllostomus discolor, und analysierten die Erzeugung des Aktionspotentials und die zeitliche Genauigkeit.
Der VNLL empfängt große axosomatische Synapsen, die aus kontralateralen Oktopuszellen des hinteren ventralen Cochlea-Kerns hervorgehen, und inhibitorische Projektionen vom ipsilateralen MNTB, wodurch monaurale Schallinformationen verarbeitet werden. Mehrere Synapsen konvergieren auf einem einzelnen juvenilen VNLL-Neuron, aber es gibt Hinweise darauf, dass nach dem Einsetzen des Hörens ein Eins-zu-Eins-Innervationsmuster vorliegt. Funktionell vermitteln die Synapsen große glutamaterge exzitatorische postsynaptische Ströme (EPSCs), und VNLL-Neurone integrieren und wandeln die EPSCs in einen zeitlich genauen glyzinergischen Output um. NMDA-Ströme können die Erregbarkeit erhöhen, obwohl bei hohen Frequenzen Informationen verloren gehen können. Biophysicalisch gesehen deprimieren VNLL-Synapsen der Mongolischen Rennmaus, im Vergleich zu anderen Kernen, bei Frequenzen bis zu 100 Hz weniger. Bei Stimulation von 300 Hz jedoch, ist eine Kurzzeit-Depression (STD) vorherrschend. Für Stimuli zwischen 100 und 300 Hz ergibt sich Kurzzeitfaszilitierung. Wir schließen daraus, dass VNLL-Zellen, welche als zeitlich genaue Weiterleitungsneuronen fungieren, Aktivitätsimpulse effizienter codieren und deren inhibitorischer Output bei höheren Prozessen als Ruhefaktor dient, der dabei hilft, Lücken in den Vokalisationen zu erkennen.

Der MNTB empfängt ebenfalls große axosomatische Synapsen, sogenannte Held-Kelche, die aus kugelförmigen buschigen Zellen des kontralateralen anterioren ventralen Cochlea-Kerns hervorgehen. Auf diese Weise verarbeiten MNTB Neurone monaurale akustische Informationen, wobei die temporale Genauigkeit des Cochlea-Kerns erhalten bleibt. Jedes MNTB-Neuron ist von einer einzelnen Held-Synapse innerviert. Wie auch der VNLL, erhalten MNTB-Neuronen große EPSCs und wandeln sie in glyzinerge Fasern um, welche hauptsächlich die MSO und die laterale obere Olive (LSO) innervieren, zwei Kerne, die für die Verarbeitung der Schalllokalisierung von zentraler Bedeutung sind. MNTB-Neurone exprimieren spannungsaktivierte Kv1.1- und Kv3.1-Kaliumkanäle, welche deren zeitliche Präzision und wiederholte Aktivität ermöglichen. Wir haben gezeigt, dass der MNTB-Kern in der Lage ist, seine Aktivität auch bei hohen Frequenzen aufrechtzuerhalten. MNTB-Neurone in der Fledermaus ähnelten denen von Rennmäusen, sowohl in ihren Membran- als auch in ihren synaptischen Eigenschaften, was auf eine ähnliche funktionelle Rolle im auditorischen Schaltkreis hinweist. Sie sind bei Beginn der Stimulation zeitlich genau und weisen auch bei höheren Stimulationsfrequenzen eine zeitliche Stabilität auf. Darüber hinaus kann die ausgeprägte Kurzzeitfaszilitierung, die bei abrupten Geräuschen auftritt, die Genauigkeit erhöhen und die Ausgangs-Erzeugung gewährleisten.
MSO Neuronen erhalten an ihren Dendriten-Eingang von bilateralen exzitatorischen Fasern aus den Cochlea-Kernen und axosomatische, glyzinerge Inhibition vom medialen und lateralen Kern des Trapezkörpers (MNTB und LNTB). Der MSO ist an der Schalllokalisierung von Niederfrequenztönen im Azimut beteiligt. Diese Signale kommen an beiden Ohren mit Unterschieden von weniger als einer Millisekunde an, was als interaurale Zeitdifferenz (ITDs) bezeichnet wird. Die Ratencodierung von ITDs hängt von der gleichzeitigen Ankunft von exzitatorischen-synaptischen Eingängen ab und wird durch binaurale Hemmsignale abgestimmt. Die Koinzidenzerkennung wird durch den geringen Eingangswiderstand der MSO-Neuronen unterstützt, der durch eine verstärkte Expression von im Ruhezustand geöffnetenspannungs-aktivierten Kaliumkanälen und durch Hyperpolarisation-aktivierte Ströme (Ih) ermöglicht wird. Die schnelle EPSC-Kinetik, die aus GluR2-fehlenden Glutamatrezeptoren hervorgeht, fördert die koinzidente synaptische Übertragung weiter. Die Ausgangserzeugung wird bei höheren Stimulationsfrequenzen unterstützt, was wahrscheinlich durch Eigenresonanzfrequenzen verstärkt wird. Das Maskieren von ITD-Hinweisen verstärkt zwar die akustischen Reize in der kritischen Zeit nach dem Hören, beschleunigt jedoch die Verfeinerung der Kalziumsignale in der Entwicklung, ohne die biophysikalischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Insgesamt führt die postnatale Entwicklung zu hochspezialisierten koinzidenten Integratoren.
Der DNLL liegt ventral zum Colliculus inferior (IC) im Faserbündel des lateralen Lemniscus. Er wird von Kernen des Superior Olivary Complex (SOC) innerviert und projiziert GABAergische Axone auf den IC und den kontralateralen DNLL über die Probst-Kommissuren, wobei die Empfindlichkeit sowohl für ITDs als auch für interaurale Intensitätsunterschiede (IIDs) erhalten bleibt. DNLL-Neuronen sind schnell erregbar und können in vitro im Ruhezustand Aktionspotentiale hervorrufen. Daher sind sie biophysikalisch so ausgestattet, dass sie einsetzende Geräusche einfach weiterleiten können. Sie verlieren jedoch die Wiedergabegenauigkeit wenn sie mit hohen Frequenzen stimuliert werden, weshalb es einer Summierung von Eingängen bedarf, um einen genauen Ausgang zu erzeugen , wobei sie als zeitliche Integratoren fungieren. NMDAR-vermittelte Ströme steigern die Erzeugung von Aktionspotentialen frequenzabhängig.

DNLL-Neurone zeigen postsynaptische Modifikationen bei der Eingangsintegration, die vermutlich durch Inaktivierung von Natrium- oder Kaliumkanälen verursacht werden.
Insgesamt lieferte diese Studie eine kompakte entwicklungsbezogene und biophysikalische Charakterisierung von vier auditorischen Hirnstammkernen, die an verschiedenen Aspekten der Schallwahrnehmung beteiligt sind. Die Entwicklung der Membranzeitkonstante τ und der EPSC-zeit sind in den verschiedenen Kernen unterschiedlich und unterstützen die Stimuluszeitbeziehung in der auditorischen Hirnstammschaltung. Darüber hinaus stimmt die Beziehung zwischen τ und EPSC, die ihre biophysikalischen Relais- und Integrationseigenschaften beschreibt, mit ihren synaptischen Aspekten überein.
Teile unserer Forschung wurden in drei wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht, und ein Manuskript, das zur Veröffentlichung ansteht, wird bereitgestellt.

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