On the role of ionic currents Ih, ISK and leakage during neuronal firing

Abstract

Neuronales Feuern spielt eine zentrale Rolle in der Zell-Kommunikation in unserem Nervensystem. Es charakterisiert die Aktivität von Nervenzellen unter physiologischen Bedingungen und tritt auf, wenn ein Neuron ein oder mehrere Aktionspotentiale erzeugt. Das Verstehen der Mechanismen hinter dieser Art der Signalübertragung ist jedoch nicht trivial, ähnlich wie das Verstehen der verschiedenen, zugrundeliegenden Zelltypen. Das Erfassen der Zusammenhänge zwischen dem Feuer-Muster einer Zelle, ihren intrinsischen Eigenschaften und ihren Ionenströmen stellt daher eine wiederkehrende Herausforderung in der Neurowissenschaft dar. Die vorliegende Arbeit kombiniert elektrophysiologische Untersuchungen, histologische Methoden und mathematische Ansätze, um den Beitrag der Ionenströme Ih, ISK und der Leckströme beim neuronalen Feuern zu verstehen. Der hyperpolarisations-aktivierte Strom Ih ist ein kationischer, depolarisierender Strom, der eine wesentliche Rolle bei der Regulation der neuronalen Erregbarkeit einnimmt. Er ist einer der bekanntesten Schrittmacherströme und trägt zur rhythmischen Aktivität von Zellen bei. Diese Arbeit untersucht Ih in Oriens-Lacunosum Moleculare (OLM) Zellen, einem an neuronalen Oszillationen beteiligten Zelltyp, und hebt die Unterschiede von Ih, die abhängig von der anatomischen Lage im Hippocampus sind, hervor. Dabei weisen dorsal gelegene OLM Zellen ein depolarisierteres Ruhemembranpotential vor, haben eine größere Rektifikation bei Hyperpolarisierung und erzeugen mit höherer Wahrscheinlichkeit post-inhibitorische ReboundAktionspotentiale als ventral gelegene OLM Zellen. Weiters werden in dieser Arbeit die Funkionen des Ih-Stroms in Renshaw Zellen untersucht. Dieser Zelltyp kann sehr schnell und wiederholt feuern und ist am Bewegungsrhythmus des Rückenmarks beteiligt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Ih in Renshaw Zellen einen ausgeprägten Sag-Response erzeugt und die Feuerfrequenz durch Verkürzung der Intervalle zwischen den Aktionspotentialen verändern kann. Darüber hinaus wird die Feuerfrequenz in Renshaw Zellen durch einen spezifischen Kaliumstrom, dem Kalzium-aktivierten Kaliumstrom mit geringem Leitwert ISK, moduliert, der die Nachhyperpolarisation von Aktionspotentialen erhöht und das tonische Feuern verändert. Dass Kalium Ionen beim neuronalen Feuern eine wichtige Rolle spielen, wird in dieser Arbeit an Zellen im Hörsystem gezeigt. Das Vorderhirn des Vogels enthält einen Hörbereich, der eine Vielzahl von Kaliumkanal-Genen exprimiert, und die Zellen in dieser Region weisen drei verschiedene Feuermuster auf. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Zellen mit einem phasischen Feuermuster einen geringeren Membranwiderstand und eine kürzere Verzögerung nach dem Beginn des Stimulationsimpulses aufweisen als Zellen mit einem transienten oder tonischen Feuermuster. Des weiteren kann die Hemmung eines Barium-sensitiven Leckstroms das Feuern von phasisch zu tonisch ändern. Experimentell aufgezeichnete Ionenströme der studierten Zelltypen werden in dieser Arbeit von Computersimulationen unterstützt, die die mathematische Untersuchung dieser Ströme unter isolierten Bedingungen ermöglichen. Dabei bieten Hodgkin-Huxley-Gleichungen eine elegante Methode für die Übertragung von experimentellen Aufzeichnungen in Computermodelle und ermöglichen die Simulation des Feuerns bestimmter Neuronen oder sogar multineuronaler Netzwerke. Ein erheblicher Teil dieser Arbeit befasst sich daher insbesondere mit den Aspekten der Modellierung von Neuronen.

Neuronal firing plays a central role in the cell-to-cell communication in our nervous system. It characterizes the activity of nerve cells under physiological conditions and occurs when a neuron emits one or more action potentials. Understanding the mechanisms behind this type of signaling, however, is as multifaceted as understanding the diversity of cell types in the nervous system. Capturing the relationships between a cells firing pattern,its intrinsic properties and its ionic currents thus remains a recurrent challenge in neuroscience. This thesis combines electrophysiological investigations, histological methods and mathematical approaches to decipher the contribution of the ionic currents Ih, ISK and leakage on neuronal firing. The hyperpolarization-activated current Ih is a cationic depolarizing current that has an important role in the regulation of neuronal excitability. It is one of the most prominent pacemaker currents and contributes to the rhythmic firing of cells. This thesis reexamines Ih in oriens-lacunosum moleculare (OLM) cells, a cell type participating in neuronal oscillations, and highlights the location-dependence of Ih in the hippocampus. Thereby, dorsally located OLM cells possess a more depolarized resting membrane potential than ventrally located OLM cells, expose a larger rectification in response to hyperpolarization and generate post-inhibitory rebound spikes more likely. Ih-related properties are further examined in Renshaw cells in this thesis. Renshaw cells are able to produce a very fast, repetitive firing pattern and participate in the locomotor rhythm of the spinal cord. This thesis shows that Ih in Renshaw cells produces a prominent sag-response following hyperpolarization and changes the firing frequency by shortening interspike intervals between action potentials. Additionally, firing frequency in Renshaw cells is modulated by a specific potassium current, the small conductance calcium-activated potassium current ISK, that increases afterhyperpolarizations and decreases tonic firing. That leakage of potassium ions plays an important role on neuronal firing as well is demonstrated in auditory cells in this thesis. The avian forebrain contains an auditory area that expresses a broad variety of potassium channel genes and the cells in this region expose three different firing patterns. This thesis shows that cells with phasic firing pattern possess a lower input resistance and a smaller first-spike latency than cells with transient or tonic firing pattern. Moreover, the inhibition of a barium-sensitive leak current is able to change firing from phasic to tonic,suggesting potassium leak conductances to modulate neuronal firing patterns in these cells. Experimentally-obtained ionic currents of the studied cell types are further included in computational simulations in this thesis, that support the mathematical exploration of these currents under isolated conditions. Thereby, Hodgkin-Huxley-type equations provide an elegant formulation for transferring in vitro recordings into a computer model and allow to simulate the firing of specific neurons or even multi-neuronal networks in silico. Thus, a considerable part of this thesis is particularly devoted to the aspects of neuron modeling.