A különböző gátlósejttípusok hozzájárulása a hippokampális éleshullámok kialakulásához. = Contribution by distinct types of GABAergic interneuron to hippocampal sharp wave/ripple oscillations.

A hippokampusz neuronhálózatában spontán keletkeznek az éleshullámok, amelyek kulcsszerepet játszanak a memóriafolyamatokban. Egy in vitro modellt használva feltérképeztük az egyes idegsejttípusok bemeneti és kimeneti tulajdonságait az éleshullámok alatt. Az találtuk, hogy a legaktívabb gátlósejtek parvalbumint tartalmaztak, míg a piramissejtek többsége nem tüzelt. Meghatároztuk, hogy az éleshullámok alatti tüzelési aktivitás korrelált a serkentő szinaptikus bemenettel. Farmakológiai kísérletekkel kiderítettük, hogy a parvalbumin tartalmú gátlósejtek nagyfrekvenciás kisüléséből eredő periszomatikus gátló áramok generálják a lokális mezőpotenciálban mérhető éleshullámokat. Hasonlóan, ezek a gátlósejtek felelősek a gamma oszcillációk létrehozásáért is a hippokampális agyszeletekben. Ezen túlmenően megállapítottuk, hogy a kolinerg receptorok aktivációja, amely növeli a serkenthetőséget, de csökkenti a szinaptikus kommunikáció hatékonyságát, képes a hippokampusz alapműködését, az éleshullám-aktivitást átkapcsolni gamma oszcillációvá. Az eredményeink azt mutatják, hogy az éber állatra jellemző hálózati aktivitásokat, az éleshullámokat és a gamma oszcillációt ugyan az a hippokampális neuronhálózat generálja, amely a piramissejtek és a parvalbumin tartamú gátlósejtekből áll. | Sharp wave/ripple oscillations (SPW-Rs), that play a crucial role in memory formation, are spontaneously emerging synchronous network events in the hippocampal circuitry. Using an in vitro model, we uncovered that the input-output properties of distinct types of neurons during SPW-Rs. We found that the most active GABAergic cells were parvalbumin containing interneurons, while the vast majority of pyramidal cells was silent. Our analysis revealed that in all cell types the firing during SPW-Rs was driven by excitatory synaptic input. Pharmacological manipulations uncovered that perisomatic inhibitory currents predominantly originated from the high frequency discharge of parvalbumin containing interneurons generate the majority of the field potential that is seen as a sharp wave. Similarly, these GABAergic cells were found to generate the gamma oscillations in hippocampal slices as well. In addition, we elucidated that by cholinergic receptor activation, which increases the excitability, but reduces the efficiency of synaptic communication, the default mode of the hippocampal operation, the SPW-R state can be readily switched to gamma oscillation. Our results propose that the behaviorally relevant network activities, SPW-Rs and gamma oscillations are generated by the same neuronal circuitries in the hippocampus, comprised of pyramidal cells and parvalbumin containing interneurons

Különböző típusú GABAerg interneuronok szerepe a hippokampális gamma oszcillációkban = The role of distinct types of GABAergic interneurons in hippocampal network oscillations at gamma frequency

A kérgi neuronhálózatokban megfigyelt gamma (30-100 Hz) oszcillációk alapvető szerepet játszanak olyan kognitív folyamatokban, mint pl. a szenzoros információfeldolgozás. Funkciójuk megértéséhez ismernünk kell a neuronhálózatokat alkotó serkentő és gátlósejtek viselkedését ill. szerepét az oszcillációk kialakításában. Pályázatunk célja a hippokampális ideghálózatok szinkronizált működését kialakító sejtszintű mechanizmusok felderítése volt. In vitro farmakológiailag indukált oszcillációk során vizualizált patch-clamp méréstechnika segítségével megállapítottuk, hogy a hippokampusz CA3 régiójában keletkező gamma oszcillációkat a gyorsan tüzelő kosársejtek és a piramissejtek időben összehangolt kisülése generálja szinaptikus visszacsatolás révén. A hippokampusz CA1 régiójába a gamma oszcilláció előrecsatoló gátlással terjed át a CA3 régióból. Mindkét régióban a gátlósejtek oszcillációhoz viszonyított fáziskapcsolt tüzelését a rájuk érkező szinaptikus serkentés, míg a piramissejtek kisülését a szinaptikus gátlás határozta meg. Kifejlesztettünk egy szabadalmi bejelentéssel védett szeletkamrát in vitro mérésekhez, melyben az agyszeletek oxigénellátása megközelíti az in vivo körülményeket. Az eredményeinknek klinikai vonatkozása is elképzelhető, hiszen az epilepszia tünetcsoportban tapasztalt hiperszinkonitás kialakulásában is kulcsfontosságú szerepet játszhatnak a gyorsan tüzelő kosársejtek, amely gátlósejtek működésének célzott szabályozása egy potenciális gyógyszercélpont lehet. | Cortical network oscillations at gamma (30-100 Hz) frequencies were suggested to be linked to several cognitive tasks including sensory processing. To understand the role of oscillations in neuronal operation, the behavior and the function of different neuronal types during oscillatory activities need to be revealed. The aim of our project was to uncover the basic cellular mechanisms generating synchronous network activities in hippocampal neuronal circuitries. The combination of visualized patch-clamp recordings with pharmacologically-induced in vitro oscillations allowed us to determine that in CA3 hippocampal region the precisely timed discharge of fast spiking basket cells and pyramidal cells could generate the gamma oscillations via a synaptic feed-back loop. The gamma oscillation emerged intrinsically in CA3 propagates to CA1 via feed-forward inhibition. In both regions, the phase-coupled firing of inhibitory cells was controlled by synaptic excitation, whereas the discharge of pyramidal cells was primarily determined by synaptic inhibition. For in vitro recordings we developed a new type of slice chamber protected by a patent, where the oxygen supply of brain slices approaches the in vivo circumstances. Our results also have clinical relevance implying the pivotal role of fast spiking basket cells in hypersynchrony during epileptic discharges, therefore the modulation of the fast spiking basket cell operation might be a novel target for drug development

Differences in subthreshold resonance of hippocampal pyramidal cells and interneurons: the role of h-current and passive membrane characteristics

The intrinsic properties of distinct types of neuron play important roles in cortical network dynamics. One crucial determinant of neuronal behaviour is the cell's response to rhythmic subthreshold input, characterised by the input impedance, which can be determined by measuring the amplitude and phase of the membrane potential response to sinusoidal currents as a function of input frequency. In this study, we determined the impedance profiles of anatomically identified neurons in the CA1 region of the rat hippocampus (pyramidal cells as well as interneurons located in the stratum oriens, including OLM cells, fast-spiking perisomatic region-targeting interneurons and cells with axonal arbour in strata oriens and radiatum). The basic features of the impedance profiles, as well as the passive membrane characteristics and the properties of the sag in the voltage response to negative current steps, were cell-type specific. With the exception of fast-spiking interneurons, all cell types showed subthreshold resonance, albeit with distinct features. The HCN channel blocker ZD7288 (10 μm) eliminated the resonance and changed the shape of the impedance curves, indicating the involvement of the hyperpolarisation-activated cation current Ih. Whole-cell voltage-clamp recordings uncovered differences in the voltage-dependent activation and kinetics of Ih between different cell types. Biophysical modelling demonstrated that the cell-type specificity of the impedance profiles can be largely explained by the properties of Ih in combination with the passive membrane characteristics. We conclude that differences in Ih and passive membrane properties result in a cell-type-specific response to inputs at given frequencies, and may explain, at least in part, the differential involvement of distinct types of neuron in various network oscillations

The presence of pacemaker HCN channels identifies theta rhythmic GABAergic neurons in the medial septum

The medial septum (MS) is an indispensable component of the subcortical network which synchronizes the hippocampus at theta frequency during specific stages of information processing. GABAergic neurons exhibiting highly regular firing coupled to the hippocampal theta rhythm are thought to form the core of the MS rhythm-generating network. In recent studies the hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated non-selective cation (HCN) channel was shown to participate in theta synchronization of the medial septum. Here, we tested the hypothesis that HCN channel expression correlates with theta modulated firing behaviour of MS neurons by a combined anatomical and electrophysiological approach. HCN-expressing neurons represented a subpopulation of GABAergic cells in the MS partly overlapping with parvalbumin (PV)-containing neurons. Rhythmic firing in the theta frequency range was characteristic of all HCN-expressing neurons. In contrast, only a minority of HCN-negative cells displayed theta related activity. All HCN cells had tight phase coupling to hippocampal theta waves. As a group, PV-expressing HCN neurons had a marked bimodal phase distribution, whereas PV-immunonegative HCN neurons did not show group-level phase preference despite significant individual phase coupling. Microiontophoretic blockade of HCN channels resulted in the reduction of discharge frequency, but theta rhythmic firing was perturbed only in a few cases. Our data imply that HCN-expressing GABAergic neurons provide rhythmic drive in all phases of the hippocampal theta activity. In most MS theta cells rhythm genesis is apparently determined by interactions at the level of the network rather than by the pacemaking property of HCN channels alone