High-resolution structural analysis of layer II principal neurons in the entorhinal cortex

Abstract

Entorhinal cortex (EC), bestående av mediale entorhinal cortex (MEC) or lateral entorhinal cortex (LEC), mottar et rikt utvalg av kortikale signaler. Her formes og kodes signalene inn i et relevant «språk» før de, gjennom parallelle baner fra MEC og LEC, sendes videre til hippocampus. I de to avdelingene av entorhinal cortex eksisterer det en mengde forskjellige funksjonelt spesialiserte celler. Blant cellene I MEC er det blitt funnet et imponerende utvalg av spatialt modulerte celler, mens cellene i LEC, som i all hovedsak mangler spatial modulering, viser seg å være mer opptatt av objekter i kontekst. Følgende oppstår det to funksjonelt forskjellige fenotyper, hvor MEC behandler informasjon om «hvor» og LEC om «hva». På tross av avdelingenes ulike fenotyper, finner man overraskende likheter mellom dem. Spesielt om man ser på de lokale mikronettverkene in lag II, som styrer aktiveten hos de mest sentrale prinsipalcellene, stellate-cellen i MEC og fan-cellen i LEC. Dette lokale nettverket, som er tenkt til å være elementært for å muliggjøre grid-celle fenotypen, bringer frem viktige spørsmål ettersom det ikke er oppdaget noen grid-celler i LEC. På bakgrunn av dette hadde dette prosjektet som mål å utforske forskjellene mellom stjerne-cellen og fan-cellen i synaptisk ultrastruktur, tetthet og fordeling. Ved hjelp av retrograd viral vektor tracing, elektronmikroskopi, konfokalmikroskopi og 3D-visualisering, ble fullstendige dendritt-trær hos enkeltceller rekonstruert. Grensene ved lysmikroskopi og 3D-rekonstruksjon ble testet for å finne den mest optimale metoden for beregning av fordeling, tetthet og synapstype, over nevroner. To nevroner og totalt 86 dendrittiske segmenter ble rekonstruert, med spines og markører for eksitatoriske og inhibitoriske synapser. De to morfologisk forskjellige nevronene viste forskjeller i størrelse, antall hoveddendritter, tetthet av spines, og fordeling av eksitatoriske og inhibitoriske synaptiske markører. Resultatene viser til forskjeller mellom de to nevronene som muligens kan være utslagsgivende for deres funksjoner. Begrensinger og validiteten rundt metodene blir diskutert for å sette lys på utfordringer og mulige fallgruver omkring immunhistokjemi, elektronmikroskopi, viral tracing, identifikasjon av nevrontyper og synaptisk markør-deteksjon. Verdien av videre forskning omkring unike synaptiske mønster blir understreket som avgjørende elementer for å videre utvikle vår forståelse av hva som forårsaker funksjonelle forskjeller mellom ulike nevroner.

The two subdivisions of the entorhinal cortex (EC), medial entorhinal cortex (MEC) and lateral entorhinal cortex (LEC), are thought to integrate a concert of cortical information, translating and shaping it, before sending that integrated information through parallel projections to the hippocampus. The two distinct subdivisions harbor a diverse assortment of functionally specialized cells. MEC shows an impressive range of spatially tuned cells, whereas LEC, mostly lacking spatial modulation, is engaged with objects in context. Essentially, two different phenotypes emerge with MEC integrating information about “where” and LEC about “what”. Despite these evident differences between the two subdivisions of EC, they also display surprising similarities. Notably the local microcircuit in layer II, governing the activity of the main principal neurons, the stellate cell for MEC and the fan cell for LEC. This local network, implicated in enabling the grid cell phenotype, raises important questions given the apparent lack of grid cells in LEC. This project aimed to investigate the differences in synaptic ultrastructure, density and distribution over the stellate cell and the fan cell. Through the use of retrograde viral vector tracing, electron microscopy, confocal microscopy, and 3D visualization, complete dendritic arbors of individual neurons were reconstructed. The limits of light microscopy and 3D reconstruction were explored, investigating the most optimal methods to assess the distribution, density, and type of synapses along neurons. Two neurons and a total of 86 dendritic segments were reconstructed with spines and markers for excitatory and inhibitory synapses. The two morphologically different neurons exhibited differences in size, number of main dendrites, spine density, and distribution of excitatory and inhibitory synaptic markers. The results point to possible important differences between the two neurons. The methodological limitations and validity are discussed, highlighting challenges and possible pitfalls in immunohistochemistry, electron microscopy, viral tracing, neuronal identification, and synaptic marker detection. The importance of further investigation into unique synaptic patterns are emphasized as key elements underlying functional differences between neurons.