Whole cell patch clamp analysis of non-synaptic and synaptic signaling in rodent and human supragranular neocortex

Rózsa Márton
Whole cell patch clamp analysis of non-synaptic and synaptic signaling in rodent and human supragranular neocortex.
PhD, University of Szeged.
(2018)

[img]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (23MB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (652kB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (638kB) | Preview

Abstract in Hungarian

Az agykéreg a sejtes szerveződés legkomplexebb struktúrája. Összetettségére utalnak bonyolult funkciói, melyek közül legfontosabbak az érzékelési, mozgási, és kognitív folyamatok szervezése. Az agyban található két fő sejttípus, a neuron és a glia közül a glia sejtek fordulnak elő nagyobb számban. A glia sejtek közül is a leggyakoribbak az asztrociták, melyek funkciói többek között az ionikus és metabolikus homeosztázis fenntartása. Az agykéreg leginkább kutatott idegsejtjei a projekciós, serkentő piramis sejtek, melyek az agykérgi idegsejtek viszonylag homogén, döntő többségét alkotják. Az agykéreg gátló sejtjei képzik az idegsejtek jóval diverzebb kisebbségét, melyek funkcionálisan is heterogénebbek, de minden esetben a serkentő többség működését szabályozzák. Kutatócsoportunk a humán és a rágcsáló agykéregben található gátló idegsejt altípusok felépítését és működését vizsgálja. Doktori munkám során két jelentősen eltérően működő szinaptikus kapcsolatot vettünk górcső alá. Először az egyik agykéregben található gátló idegsejt típus, a neurogliaform sejt szinaptikus kimenetét vizsgáltuk. Kutatócsoportunk a közelmúltban megmutatta, hogy a neurogliaform sejt - egyedülálló módon az agykérgi sejtek között - képes lassú gátlás kialakítására. Sűrű axonarborizációja révén térfogati transzmisszióval árasztja el gátló neurotranszmitterrel (GABA) a környező neuronokat. A felszabadult GABA nem csak a szinaptikus résbe, hanem főként az extracelluláris térbe kerül, ahol szinaptikus és extraszinaptikus GABA receptorokat is aktivál. Doktori munkám során megmutatjuk, hogy a neurogliaform sejt egyetlen akciós potenciálja hatására felszabaduló GABA hatással van a környező asztrocitákra is. A felszabaduló GABA direkt módon eléri az asztrociták ionotróp GABAA receptorait valamint GABA transzportereit és egy viszonylag gyors bemenő áramot generál, továbbá indirekt módon --neuronális metabotróp GABABB receptorokon és klorid ion transzportereken keresztül-- megemeli az extracelluláris tér kálium ion koncentrációját, mely egy lassú bemenő áramként detektálható a környező asztrocitákon. Kísérleteink azt mutatják, hogy a neurogliaform sejt egyetlen akciós potenciállal képes elárasztani GABA-val az axonfelhőjébe nyúló neuron és asztrocita nyúlványokat, melynek hatására klorid ionok áramlanak az asztrocitákból a neuronokba, és kálium ionok áramlanak a neuronokból az asztrocitákba az extracelluláris téren keresztül, mely folyamatok eredményeképpen a neuronális membránok gátlás alá kerülnek úgy, hogy eközben az extracelluláris tér ionikus összetétele a lehető legkisebb mértékben változzon. Doktori munkám második felében a rágcsáló és emberi agykéreg szupragranuláris rétegeiben található serkentő piramis sejtek szinaptikus kimenetét vizsgáltuk a leggyakoribb helyi gátló sejttípusra, a gyorsan tüzelő interneuronokra. Kutatócsoportunk a közelmúltban kimutatta, hogy ezek a szinaptikus kapcsolatok rendkívül hatékonyan működnek az emberi agykéregben: egy piramis sejt egyetlen akciós potenciálja képes lehet a környező gyorsan tüzelő interneuronokat nyugalmi membránpotenciáljukról küszöb fölé depolarizálni és akciós potenciálba vinni, míg rágcsálók esetében ugyanezen sejtek csupán küszöb alatti depolarizációt érnek el. Doktori munkám során kvantális analízissel megmutatjuk, hogy patkány és ember esetében az egyetlen vezikula által kiváltott posztszinaptikus áram hasonló amplitúdójú. Fénymikroszkópos vizsgálattal igazoljuk, hogy kapcsolatonként a szinapszisok száma nem mutat fajfüggést. A látszólagos ellentmondást elektron mikroszkópos kísérleteink oldják fel, melyekből kiderül, hogy a hatékony serkentés arra vezethető vissza, hogy az emberben található szinapszisok preszinaptikus aktív zónái nagyobbak, valamint, hogy az ott található dokkolt vezikulák is nagyobb sűrűségben helyezkednek el. Így, ellenben a rágcsálóban megtalálható hasonló szinapszisokkal, akciós potenciálonként egy adott szinapszisban akár több neurotranszmittert tartalmazó vezikula is ürülhet a szinaptikus résbe. Összefoglalásként elmondható, hogy az emberi és rágcsáló agykéreg összetett működéséhez a szinaptikus mechanizmusok széles palettája járul hozzá.

Abstract in foreign language

The neocortex is the evolutionarily youngest part of the cerebral cortex and at the same time considered to be one of the most complex biological structures. Besides its crucial role in sensory perception and motor execution, this organ makes humans capable of performing sophisticated cognitive tasks. These cognitive abilities make neuroscientists so eager --and able-- to decipher the workings of the human brain. Although the ultimate goal of neuroscience is to solve the human brain, most of the research is currently devoted to understanding the nervous system of simpler and more available model organisms, such as rodents', which still proves to be quite ambitious a task. The two most prominent cell types of the human brain are the neuronal and the glial cells. Glial cells are the major class of non-excitable cells in the brain. Among glia, astrocytes are the most extensively studied due to the fact that they comprise the most abundant and diverse glia class. Despite their diversity, their functions are shared: they are crucial for the extracellular ionic homeostasis, neurotransmitter uptake, synapse formation, regulation of blood–brain-barrier, and the development of the nervous system. The cortical neurons can be divided in two main groups: the excitatory projecting pyramidal cells and the inhibitory local interneurons. The local GABAergic interneurons constitute the minor fraction of neurons in the neocortex (\numrange{10}{20} \%) but are instrumental for normal brain function. Despite their small numbers, these interneurons display extremely diverse morphological, electrophysiological and molecular properties. Our research group focuses on the function, input and output of various interneuron types in the human and rodent neocortex. In my doctorate study, we examined two very distinct synaptic connections. First, the output of a unique inhibitory interneuron, the neurogliaform cell (NGFCs). These GABAergic neurons were suggested to specialize in acting on GABA receptors on compartments of the neuronal surface which do not receive synaptic junctions, through a unitary form of volume transmission. The GABA released via volume transmission can effectively reach the extrasynaptic GABAA and GABAB receptors on virtually all neuronal processes within the axonal cloud of the NGFC. In the same vein, we hypothesized that neurogliaform interneurons might act on non-neuronal elements of the surrounding cortical tissue without establishing synaptic contacts. In my doctorate study, we show that there is a cell type selective unitary transmission from NGFCs to astrocytes with an early, GABAA receptor and GABA transporter-mediated component and a late component that results from the activation of GABA transporters and neuronal GABAB receptors. We could not detect Ca2+ influx in astrocytes associated with unitary GABAergic responses. Our experiments identify a presynaptic cell-type-specific, GABA-mediated communication pathway from individual neurons to astrocytes, assigning a role for unitary volume transmission in the control of ionic and neurotransmitter homeostasis. In the second part of my work, we compared a ubiquitous excitatory synaptic connection between the human and the rat because classic theories link cognitive abilities to synaptic properties and human-specific biophysical features of synapses might contribute to the unparalleled performance of the human cerebral cortex. We performed paired recordings and multiple probability fluctuation analysis in pyramidal cell to basket cell synaptic connections in acute slice preparation from both species. These experiments revealed similar quantal sizes, but four times more functional release sites in human pyramidal cell to fast-spiking interneuron connections compared to rats. These connections were mediated on average by three synaptic contacts in both species. Each presynaptic active zone contains 6.2 release sites in human, but only 1.6 in rats. Electron microscopy and electron microscopic tomography showed that an active zone harbors 4 docked vesicles in human, but only a single one in rats. Our results reveal a robust difference in the biophysical properties of a well-defined synaptic connection of the cortical microcircuit of human and rodents. Our research had two main conclusions. First, we discovered of a novel interneuron-to-astrocyte signalling pathway, the function of which is probably to stabilize the widespread inhibitory action of neurogliaform interneurons through unitary GABAergic volume transmission. And second, we compared a ubiquitous synaptic connection in the human and rodent neocortex and found the biophysical differences in their workings that make human synapses more efficient.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Rózsa Márton
Hungarian title label: Diverz szinaptikus mechanizmusok az ember és rágcsáló agykéregben
Title of the thesis in foreign language: Whole cell patch clamp analysis of non-synaptic and synaptic signaling in rodent and human supragranular neocortex
Divisions: Doctoral School of Biology
Discipline label: természettudományok > biológiai tudományok
Defence date label: 2018. May 28.
Supervisor label:
SupervisorSupervisor scientific name labelEmail
Prof. Tamás GáborPhD DSc, egyetemi tanár, kutatócsoport-vezető, SZTE TTIK Élettani, Szervezettani és Idegtudományi Tanszékgtamas@bio.u-szeged.hu
Reviewer label:
Reviewer name labelReviewer scientific name labelEmail
Dr. Párducz ÁrpádDSc, Professor Emeritus, MTA SZBK Biofizikai Intézetparducz.arpad@brc.mta.hu
Dr. Gulyás AttilaDSc, tudományos tanácsadó, MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetgulyas@koki.hu
President label:
President name labelPresident scientific name labelEmail
Dr. Gulya KárolyDSc, tanszékvezető egyetemi tanár, SZTE ÁOK TTIK Sejtbiológia és Molekuláris Medicina Tanszékgulyak@bio.u-szeged.hu
Member label:
Member name labelMember scientific name labelEmail
Dr. Lamsa KarriPhD, kutatóprofesszor, MTA-SZTE NAP B Celluláris és Hálózati Neurofiziológiai Kutatócsoportklamsa@bio.u-szeged.hu
Dr. Siklós LászlóDSc, tudományos tanácsadó, MTA SZBK Biofizikai Intézetsiklos.laszlo@brc.mta.hu
Uncontrolled Keywords: neocortex, interneuron, neurogliaform cell, human, rodent, volume transmission
Item ID: 9755
Identification Number: 3360417
doi: https://doi.org/10.14232/phd.9755
Date Deposited: 2018. Apr. 19. 08:31
Last Modified: 2018. Aug. 09. 14:31
Depository no.: B 6383
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/9755
Defence/Citable status: Defended.

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year