Cellular Mechanisms Underlying Hippocampal CA1 Place Cell Activity

Abstract

Norsk Sammendrag: Nerveceller er de grunnleggende byggesteinene i hjernen hos pattedyr og deres aktivitet fører til hjernefunksjoner. Aktivitetsmønsteret til en nervecelle, slik som det romlige fyringsmønsteret laget av en stedcelle i hippocampus, oppstår gjennom samspillet mellom inngangsaktiviteten fra presynaptiske nerveceller og de molekylære mekanismene i nervecellen (cellulær mekanisme). Til tross for omfattende karakterisering av stedcelleaktivitet er ikke de underliggende cellulære mekanismene for deres funksjonalitet fullstendig kjent. I artikkel I beskriver vi en ny teknisk tilnærming vi har etablert for å studere rollen til cellulære mekanismer i stedcelleaktivitet i CA1 i hippocampus. Ved bruk av en rekombinant adenoassosiert viral (rAAV) vektor har vi endret en cellulær mekanisme i en mindre del av en spesifikk celletype i en bestemt hjerneregion ved genetisk manipulasjon, samtidig som cellenes inngangsaktivitet er intakt. Deretter, ved å utføre et intra-subjekt kontrollert design og overvåke aktiviteten til manipulerte nerveceller i et uhindret dyr, var vi i stand til å undersøke hvilken rolle en bestemt cellulær mekanisme har på stedcelleaktivitet i et normalt fungerende hjernesystem. I artikkel II har vi fokusert på rollen til synaptisk plastisitet på stedcelleaktivitet. Vi har designet en rAAV-vektor som inneholder en dominant negativ mutant av GluR1-genet, GluR1-c-hale, som blokkerer langtidspotensiering ved å forstyrre den synaptiske leveringen av GluR1-inneholdende AMPA-reseptorer. Ved å overvåke aktiviteten til nerveceller i det virus-transduserte området av den dorsale CA1-regionen i rotter med fri adferd har vi funnet at synaptisk plastisitet er nødvendig for at pyramideceller skal fyre nøyaktig ved lavfrekvente gammabølger indusert av nye omgivelser. Videre fant vi en rolle for synaptisk plastisitet i rask dannelse av stedceller i et nytt miljø. Ved å samkjøre disse effektene tyder våre resultater på at GluR1-avhengig synaptisk plastisitet har en rolle i å regulere informasjonsflyten under lavfrekvente gammabølger i kretser i hippocampus. I artikkel III studerte vi rollen til NMDA-reseptoren på stedcelleaktivitet. Vi designet rAAVvektorer for RNA-interferens i pyramideceller mot NR1-genet, som er en essensiell subenhet nødvendig for en funksjonell NMDA-reseptor. Ved å overvåke aktiviteten til nerveceller i det NR1-nedregulerte området av den dorsale CA1-regionen i rotter med fri adferd, har vi funnet en ny rolle for NMDA-reseptoren i regulering av theta-faselåst fyring av pyramideceller. Vi fant også at NMDA-reseptoren fører til dannelsen av presise og stabile romlige fyringsmønstre. Vi viser et nytt forhold mellom theta-fasepreferanse og romlig spesifisitet av nevrale fyringer, og at NMDA-reseptoren spiller en rolle i denne sammenhengen. Samlet sett beskriver denne avhandlingen en tilnærming for å studere de cellulære mekanismene for stedcelleaktivitet i hippocampus ved intakt inngangsaktivitet og normal hjernefunksjon. Ved å bruke denne tilnærmingen viser denne avhandlingen nye roller for synaptisk plastisitet og NMDA-type glutamatreseptorer i reguleringen av nevral faselåst fyring under nettverkssvingninger, dannelsen av romlige fyringsmønstre i hippocampus og informasjonsbehandling i hippocampale kretser.

Summary: Neurons are the fundamental building blocks of the mammalian brain and their activity mediates brain functions. The activity patterns of a neuron, such as the spatial firing pattern created by a hippocampal place cell, emerge through the interaction between the input activity from presynaptic neurons and the molecular machineries in the neuron (cellular mechanism). Despite extensive characterizations of place cell activity, the cellular mechanisms underlying their functionality are not well understood. In paper I, we describe a novel technical approach we established to study the role of cellular mechanisms in hippocampal CA1 place cell activity. We employed a recombinant adeno associated viral (rAAV) vector-mediated genetic manipulation to alter a cellular mechanism in a minor portion of specific cell type in a target brain region, while keeping their input activity intact. Further, by performing a within-subject control design and monitoring the activity of manipulated neurons in an unrestrained animal, we were able to investigate the role of a target cellular mechanism in place cell activity in a normally-functioning brain system. In paper II, we focused on the role of synaptic plasticity in place cell activity. We designed rAAV vector containing a dominant negative mutant of GluR1 gene, the GluR1-c-tail, which blocks long term potentiation by interfering with the synaptic delivery of GluR1-contaning AMPA receptor. By monitoring the activity of neurons in viral transduced area of dorsal CA1 region in freely behaving rats, we found synaptic plasticity is required for precise firing of pyramidal cells during novelty-induced slow gamma oscillations. Further, we found a role for synaptic plasticity in rapid formation of place cells in a novel environment. By correlating these effects, our results suggest a role for GluR1-dependentsynaptic plasticity in regulating information flow during slow gamma oscillations in hippocampal circuit. In paper III, we studied the role of NMDA receptor in place cell activity. We designed rAAV vectors for RNA interference in pyramidal cells against NR1 gene, an essential subunit necessary for the functional NMDA receptor. By monitoring the activity of neurons from the NR1- knockdown site of dorsal CA1 region in freely behaving rats, we found a novel role for the NMDA receptor in regulating theta-phase locked firing of pyramidal cells. We also found that the NMDA receptor mediates formation of precise and long-term stable spatial firing patterns. We reveal a novel relationship between theta phase preference and spatial specificity of neuronal firings and, importantly, show that the NMDA receptor plays a role in this relationship. Overall, this dissertation describes an approach for studying the cellular mechanisms underlying hippocampal place cell activity under intact input activity and normally-functioning brain system. By employing this approach, this dissertation reveals novel roles for synaptic plasticity and NMDA-type glutamate receptor in regulating neuronal phase-locked firing during network oscillations, formation and stability of hippocampal spatial firing patterns and information processing in hippocampal circuit.