The development of neuronal circuits is an activity-dependent process. Research aimed at deciphering the learning rules governing these developmental refinements is increasingly utilizing a class of chemogenetic tools that employ Gi/o protein signaling (Gi-DREADDs) for neuronal silencing. However, their mechanisms of action and inhibitory efficacy in immature neurons with incompletely developed Gi/o signaling are poorly understood. Here, we analyze the impact of Gi/o signaling on cellular and network excitability in the neonatal hippocampus by expressing the Gi-DREADD hM4Di in telencephalic glutamatergic neurons of neonatal mice of both sexes. Using acousto-optic two-photon Ca2+ imaging, we report that activation of hM4Di leads to a complete arrest of spontaneous synchronized activity in CA1 in vitro. Electrophysiological analyses demonstrate that hM4Di-mediated silencing is not accounted for by changes in intrinsic excitability of CA1 pyramidal cells (PCs). Instead, activation of hM4Di robustly restrains synaptic glutamate release by the first postnatal week, effectively reducing recurrent excitation in CA1. In vivo, inhibition through hM4Di potently suppresses early sharp waves (eSPWs) and discontinuous oscillatory network activity in CA1 of head-fixed mice before eye opening. In summary, hM4Di dampens glutamatergic neurotransmission through a presynaptic mechanism sufficient to terminate spontaneous synchronized activity in the neonatal CA1. Our findings have implications for designing and interpreting experiments utilizing Gi-DREADDs in immature neurons and further point to a potential role of Gi/o-dependent endogenous neuromodulators in activity-dependent hippocampal development.
Abstract Background Optogenetic silencing techniques have expanded the causal understanding of the functions of diverse neuronal cell types in both the healthy and diseased brain. A widely used inhibitory optogenetic actuator is e Np HR3.0, an improved version of the light-driven chloride pump halorhodopsin derived from Natronomonas pharaonis . A major drawback of e Np HR3.0 is related to its pronounced inactivation on a time-scale of seconds, which renders it unsuited for applications that require long-lasting silencing. Results Using transgenic mice and Xenopus laevis oocytes expressing an e Np HR3.0-EYFP fusion protein, we here report optimized photo-stimulation techniques that profoundly increase the stability of e Np HR3.0-mediated currents during long-term photo-stimulation. We demonstrate that optimized photo-stimulation enables prolonged hyperpolarization and suppression of action potential discharge on a time-scale of minutes. Conclusions Collectively, our findings extend the utility of e Np HR3.0 to the long-lasting inhibition of excitable cells, thus facilitating the optogenetic dissection of neural circuits.
Synchronized activity is a universal characteristic of immature neural circuits that is essential for their developmental refinement and strongly depends on GABAergic neurotransmission. A major subpopulation of GABA-releasing interneurons (INs) expresses somatostatin (SOM) and proved critical for rhythm generation in adulthood. Here, we report a mechanism whereby SOM INs promote neuronal synchrony in the neonatal CA1 region. Combining imaging and electrophysiological approaches, we demonstrate that SOM INs and pyramidal cells (PCs) coactivate during spontaneous activity. Bidirectional optogenetic manipulations reveal excitatory GABAergic outputs to PCs that evoke correlated network events in an NKCC1-dependent manner and contribute to spontaneous synchrony. Using a dynamic systems modeling approach, we show that SOM INs affect network dynamics through a modulation of network instability and amplification threshold. Our study identifies a network function of SOM INs with implications for the activity-dependent construction of developing brain circuits.
Abstract NKCC1 is the primary transporter mediating chloride uptake in immature principal neurons, but its role in the development of in vivo network dynamics and cognitive abilities remains unknown. Here, we address the function of NKCC1 in developing mice using electrophysiological, optical and behavioral approaches. We report that NKCC1 deletion from telencephalic glutamatergic neurons decreases in-vitro excitatory GABA actions and impairs neuronal synchrony in neonatal hippocampal brain slices. In vivo , it has a minor impact on correlated spontaneous activity in the hippocampus and does not affect network activity in the intact visual cortex. Moreover, long-term effects of the developmental NKCC1 deletion on synaptic maturation, network dynamics and behavioral performance are subtle. Our data reveal a neural network function of depolarizing GABA in the hippocampus in vivo , but challenge the hypothesis that NKCC1 is essential for major aspects of hippocampal development.
Fruhe korrelierte neuronale Aktivitat tritt in Form synchroner Bursts von
Aktionspotentialen in grosen Zellpopulationen und in allen Teilen des sich
entwickelnden Gehirns auf. Eine wachsende Zahl an Studien legt nahe, dass synchrone Aktivitat einen wichtigen Beitrag zur Reifung des neuronalen Netzwerks leistet und dabei auftretende Storungen zur Fehlentwicklung des Nervensystems fuhren. Aus diesem Grund ist ein mechanistisches Verstandnis der Generierung korrelierter neuronaler Aktivitat von groser Bedeutung fur die klinische Forschung. Im
unreifen Hippokampus tritt synchrone Aktivitat kurz nach der Geburt auf und ist hochgradig von der depolarisierenden Wirkung bei synaptischer GABAA-Rezeptor-Aktivierung abhangig. Interneurone, die GABA freisetzen, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit an der Burst-Generierung beteiligt. Welche der anatomisch hochgradig heterogenen Subtypen GABAerger Interneurone an der Generierung korrelierter Aktivitat im unreifen Hirn beteiligt sind, ist bislang nur unvollstandig
aufgeklart. In der vorliegenden Dissertation wird der Beitrag der Somatostatinexprimierenden (SOM)-Interneurone an korrelierter neuronaler Aktivitat im sich entwickelnden Hippokampus untersucht.
Um die zugrundeliegenden synaptischen Mechanismen zu analysieren, kamen elektrophysiologische und optische Techniken an akuten hippokampalen Hirnschnitten von neonatalen Mausen zum Einsatz. In einem transgenen Tiermodell wurde die Beteiligung von entweder glutamatergen Pyramidenzellen oder GABAergen SOM-Interneuronen an synchroner Aktivitat mithilfe zellspezifischer Expression des Kalziumfarbstoffs GCaMP6s und schneller konfokaler Kalziumbildgebung sowie paralleler Ableitung des lokalen Feldpotentials untersucht.
Es wurde gezeigt, dass beide Populationen wahrend neuronaler Bursts spontan und hochgradig korreliert aktiv sind. Mittels der Expression des optisch-aktivierbaren Natriumkanals Channelrhodopsin 2 (ChR2) in SOM-Interneuronen (SOMChR2) wurden Aktionsstrome optogenetisch induziert. Elektrophysiologische Messungen zeigten, dass die Photoaktivierung von SOM-Interneuronen eine GABAA-Rezeptor-abhangige synaptische Erregung von Pyramidenzellen zur Folge hat, die vom Chlorid-Importer
NKCC1 abhangig ist. In Ableitungen von Pyramidenzellen mithilfe von
Kalziumbildgebung wurde zudem gezeigt, dass die Photoaktivierung von SOMChR2 korrelierte Netzwerkaktivitat ahnlich der Spontanaktivitat induziert. Komplementar Zusammenfassung 4 wurde unter Verwendung einer optogenetischen Strategie zur Hemmung von SOMInterneuronen
der Beitrag der spontanen Feuerrate dieser Nervenzellpopulation zur
Burst-Generierung untersucht. Zu diesem Zweck wurden transgene Mause
eingesetzt, welche die lichtgetriebene Chlorid-Pumpe eNpHR3.0 (HR3), ein
molekulargenetisch optimiertes Halorhodopsin-Konstrukt, in SOM-Interneuronen (SOMHR3) exprimieren. Die Photoinhibition von SOMHR3 wurde fur langanhaltende Hyperpolarisation der Zellen optimiert und reduzierte effektiv die spontane Feuerrate der SOM-Interneurone. Elektrophysiologische Messungen von Pyramidenzellen ergaben, dass die Photoinhibition von SOMHR3 eine Reduktion der Burst-Aktivitat im
Pyramidenzellband der CA1 Region des neonatalen Hippokampus zur Folge hat. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass SOM-Interneurone durch prasynaptisches spontanes Feuern von Aktionspotentialen und eine erregende postsynaptische GABAA-Rezeptor Aktivierung in glutamatergen Pyramidenzellen die
korrelierte Netzwerkaktivitat im sich entwickelnden Hippokampus antreiben. Die hier gefundenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum mechanistischen Verstandnis spontaner korrelierter Aktivitat und der aktivitatsabhangigen Hirnreifung.
Significance Neuronal circuits develop in an activity-dependent manner. In vitro data suggest that the intracellular accumulation of chloride—a universal characteristic of immature nerve cells—drives network maturation through a depolarizing action of the neurotransmitter GABA. We here demonstrate that deletion of the chloride cotransporter NKCC1 from forebrain pyramidal cells severely impairs hippocampal network synchrony in vitro. In contrast, NKCC1 has weak and event type-dependent effects on spontaneous network activity in vivo, and loss of NKCC1 leaves the maturation of synaptic properties, network dynamics, and hippocampus-dependent behaviors largely unaffected. Our data reveal a subtle neural network function of NKCC1 in hippocampal glutamatergic neurons in vivo, but challenge the assertion that NKCC1 in this major cell type is central to hippocampal development.
During navigation, animals integrate sensory information with body movements to guide actions. The impact of both navigational and movement-related signals on cortical visual information processing remains largely unknown. We review recent studies in awake rodents that have revealed navigation-related signals in the primary visual cortex (V1) including speed, distance travelled and head-orienting movements. Both cortical and subcortical inputs convey self-motion related information to V1 neurons: for example, top-down inputs from secondary motor and retrosplenial cortices convey information about head movements and spatial expectations. Within V1, subtypes of inhibitory neurons are critical for the integration of navigation-related and visual signals. We conclude with potential functional roles of navigation-related signals in V1 including gain control, motor error signals and predictive coding.
