Development of the neural representation of space
Abstract
Hjernens navigasjonssystem består av flere typer nevroner, blant annet plassceller i hippocampus og gitterceller, hoderetningsceller og grenseceller i mediale entorhinale korteks (MEC), samt i pre- og parasubiculum. De funksjonelle egenskapene til disse cellene er grundig undersøkt hos voksne gnagere, og nylig er det vist at slike nevroner også finnes hos flaggermus og primater. Dette doktorgradsarbeidet består av studier som forsøker å beskrive utviklingen av disse navigasjonsnevronene hos unge rotter.
I artikkel I spurte vi oss om plassceller, gitterceller og hoderetningsceller er til stede allerede når rotteunger begynner å utforske verden utenfor redet for første gang ved ca 2,5 ukers alder. Vi implanterte mikroelektroder i hjernen til rottene fra de var 13 dager gamle (P13), og registrerte den funksjonelle aktiviteten til enkeltnevroner mens dyrene utforsket et definert miljø. Vi kunne da vise at alle de nevnte navigasjonsnevronene var til stede. Hoderetningsceller, som hadde egenskaper som ligner de man finner hos voksne rotter, kunne påvises i pre- og parasubiculum fra kort tid etter øyeåpning ved P15, mens cellene i MEC trengte 2,5 uker på å få like klar retningsspesifikk fyring som voksne dyr. Plassceller i hippocampus kunne videre registreres fra tidspunktet da rottene forlot redet for første gang, men også for disse cellene gikk det 2,5 uker før de hadde stabilisert fyringsfeltene sine. Antallet gitterceller i MEC var signifikant lavere hos rotteungene enn hos voksne rotter. Fyringsfeltene til gittercellene hos rotteungene var dessuten variable, og viste ikke den periodiske strukturen som en finner hos voksne dyr.
I artikkel II ønsket vi å undersøke om populasjonen av grenseceller er tilstede hos unge dyr og om den kunne bidra til det relativt klare plassignalet i hippocampus før gittercellesignalet er fullt utviklet. Vi gjorde derfor opptak fra enkeltnevroner i MEC på rotter mellom P16 og P36 og sammenlignet med opptak fra voksne dyr. Vi kunne da vise at grenseceller var tilstede i samme prosentandeler som hos voksne rotter. Selv om fyringsfeltene ble noe skarpere med alder, var stabiliteten til cellene høy fra starten av. De grunnleggende egenskapene til grenseceller beskrevet hos voksne dyr var også til stede, slik at når en ekstra vegg ble satt inn i opptaksarenaen parallelt til det originale grensefeltet, utviklet cellene et nytt felt langs den innsatte veggen. Funnene i artikkelen har implikasjoner for hvordan plassceller i hippocampus dannes. Flertallet av celler i MEC i voksne dyr er gitterceller, og dette har ledet til hypotesen om at plassceller kan dannes etter input fra gitterceller. At gittercellene modnes saktere enn plasscellene stiller spørsmål ved denne hypotesen. Alternativt kan det være slik at signaler fra grenseceller er viktigere for å sette opp populasjonen av plassceller tidlig i utviklingen, og at gittercellene bidrar mer etter hvert som rottene blir eldre.
I artikkel III utvidet vi studiene av utviklingen av hoderetningsceller i pre- og parasubiculum. Vi registrerte aktiviteten i enkeltnevroner før rotteunger åpnet øynene rundt P14-P15 og fant at hoderetningsceller er til stede selv før dyrene får synsinput. Hoderetningscellene var ustabile før øyeåpning, men viste intern koherens, noe som kan tyde på at nettverket allerede er ferdigkoplet.
I artikkel IV spurte vi oss om plassceller i hippocampus hos unge rotter har felt som er posisjonert basert på indre avstandsberegning. Plassfelt hos eldre dyr vil gjerne være plassert i en gitt avstand fra en startvegg på en lineær løpebane selv når den absolutte posisjonen av startveggen endres i et helt mørkt rom, og eksperimentene våre viste at også unge rotter har dette mønsteret. Resultatet kan bety at gitterceller ikke er nødvendig for at plassceller skal ha felt som er posisjonert basert på lineær avstandsbedømming. En alternativ forklaring kan være at signaler fra mange umodne gitterceller til sammen gir tilstrekkelig informasjon til hippocampus om dyrets posisjon slik at plassfelter kan posisjoneres basert på bestemte avstander i et mørkt rom.
Samlet viser studiene i dette doktorgradsarbeidet at et funksjonelt navigasjonssystem er til stede hos rotteunger allerede på et tidspunkt hvor de har begrenset navigasjonserfaring. Hvilken rolle erfaring innenfor redet før rottene får syn spiller for utviklingen, må avklares i videre studier. I tillegg har kartlegging av tidspunktet de ulike cellene modnes på gitt økt forståelse av hvordan de ulike typene av navigasjonsceller kan interagere også hos voksne dyr. Summary
The brain’s map of space consists of several functionally specific neurons, including place cells in the hippocampus and grid cells, border cells and head direction cells in medial entorhinal cortex (MEC), pre- and parasubiculum. The functional properties of these specific cell types have been extensively studied in adult rodents, and recently their presence have also been discovered in bats and primates. This thesis consists of studies that seek to describe the development of these navigational neurons.
In paper I, we asked whether place cells, grid cells and head direction cells are present at the time when rat pups start to explore the world outside their nest for the first time at around 2.5 weeks of age. Rat pups were implanted with microdrives from postnatal day 13 (P13) and single neuronal units recorded while the animals explored an environment. The results showed that all navigational neurons are present in rat pups at this early stage. Head direction cells in pre- and parasubiculum were present and adult-like just after eye opening on P15, whereas the directional cells in MEC needed 2.5 weeks to reach the same directional tuning as in adult rats. Place cells in the hippocampus were also present from the start of outbound navigation, but similarly had a gradual increase in stability over the following 2.5 weeks. The number of grid cells in the MEC was significantly lower than in adult rats. The firing fields of these early grid cells were more variable than in adult animals, and the grid cells failed to express a clear, periodic structure before the animals were four weeks of age.
In paper II, we sought to determine whether the population of border cells in MEC could contribute to the relatively clear place signal seen in juvenile animals before the grid cells are fully developed. We made recordings from the MEC from rat pups between P16-P36 and compared the results with adult animals. We showed that border cells are present from the beginning in the same proportion as in adult rats. Even though their fields get sharper with age, the stability of the cells is high from the outset. The basic properties of adult border cells were also present from the outset of navigation. In particular, when an extra wall was inserted in the recording arena parallel to the original border field, the cells developed a new field along the insert. The findings in paper II have implications for mechanisms for generation of place fields in the hippocampus. The majority of cells in the MEC in adult animals are grid cells, a finding that has led to the hypothesis that place fields could be generated from grid cell input. That grid cells mature slower than place cells question this idea. Instead, it could be that border cell input is more important to drive the population of early place cells and that the grid cells contribute increasingly more when the rats grow older.
In paper III, we further investigated the developmental origin of head direction cells in pre- and parasubiculum. We recorded neuronal units before eye opening at P14-P15 in rat pups and found that head direction cells are present even before the rats get visual input. The head direction cells before eye opening are unstable, but show internal coherence, supporting the theory that the head direction cells could be formed from a so-called ring attractor network.
In paper IV, we asked whether place fields in the hippocampus in preweaning animals were positioned based on self-movement information at a time before the grid cells in entorhinal cortex mature. Place fields in older animals tend to be positioned at a fixed distance from a start wall on a linear track even when the absolute position of this wall is shifted in a complete dark room. Our experiments demonstrated that place fields in young rats also show this pattern. This might suggest that grid cells are not necessary for path integration based place cell firing. Alternatively, large cell ensembles of immature grid cells might be sufficient for place cells to encode position.
Together, the studies in this thesis demonstrate that a functional spatial representation system is present in rat pups at a time when they have only limited navigational experience, i.e. when the pups start to explore the world outside their nest for the first time at about 2.5 weeks of age. However, the exact contribution of younger rats’ navigation within the nest to the development of the spatial representation system remains to be determined. The order of when these functional neurons appear in development has also given new insights into how the different types of navigational cells might interact in adult animals.