Mechanisms of spikelet generation in cortical pyramidal neurons
Creators: name: Michalikova, Martina
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät
Year: 2017
Subjects: subject: Aktionspotential-Initiierung
subject: Pyramidenneuron
subject: theoretisches Modell
subject: Initialsegment des Axons
subject: action potential initiation
subject: pyramidal neuron
subject: computational model
subject: axon initial segment
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WW 2400

description: Unter Spikelets versteht man kleine Depolarisationen mit einer Spike-ähnlichen Wellenform, die man in intrazellulären Ableitungen von verschiedenen Neuronentypen messen kann. In kortikalen Pyramidenzellen wurde ausgeprägte Spikelet-Aktivität nachgewiesen, die erheblich das Membranpotential beeinflussen kann (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012). Nichtsdestotrotz bleibt der Ursprung von Spikelets in diesen Neuronen unbekannt. In der vorgelegten Arbeit nutzte ich theoretische Modellierung um die Mechanismen von Spikelet-Erzeugung in Pyramidenzellen zu untersuchen. Zuerst sah ich die verschiedenen Hypothesen über den Ursprung von Spikelets durch. In der Literatur entdeckte ich zwei verschiedene Typen von Spikelets. Diese Arbeit konzentriert sich auf den häufiger vorkommenden Typ von Spikelets, welcher durch relativ große Amplituden gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften dieser Spikelets passen am besten zu einem axonal Erzeugungsmechanismus. Im zweiten Kapitel widmete ich mich der Hypothese, dass somatische Spikelets axonalen Ursprungs mit somato-dendritischen Inputs hervorgerufen werden können. Ich identifizierte Bedingungen, die es erlauben ein Aktionspotential (AP) am Initialsegment vom Axon (AIS) zu initiieren, welches sich entlang des Axons ausbreitet, aber kein AP im Soma auslöst. Schließlich simulierte ich extrazelluläre Wellenformen von APs und Spikelets und verglich sie mit experimentellen Daten (Chorev and Brecht, 2012). Dieser Vergleich zeigte auf, dass die extrazellulären Wellenformen von Spikelets, die innerhalb einer Zellen am AIS erzeugt werden, gut zu den Daten passen. Zusammenfassend unterstützen meine Ergebnisse die Hypothese, dass Spikelets in Pyramidenzellen am AIS entstehen. Dieser Mechanismus könnte ein Mittel zum Energiesparen bei der Erzeugung von Output-APs sein. Außerdem könnte dadurch die dendritische Plastizität, die auf der Rückwärtspropagierung von APs beruht, reguliert werden.
description: Spikelets are transient spike-like depolarizations of small amplitudes that can be measured in somatic intracellular recordings of many neuron types. Pronounced spikelet activity has been demonstrated in cortical pyramidal neurons in vivo (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012), influencing membrane voltage dynamics including action potential initiation. Nevertheless, the origin of spikelets in these neurons remains elusive. In thi thesis, I used computational modeling to examine the mechanisms of spikelet generation in pyramidal neurons. First, I reviewed the hypotheses previously suggested to explain spikelet origin. I discovered two qualitatively different spikelet types described in the experimental literature. This thesis focuses on the more commonly reported spikelet type, characterized by relatively large amplitudes of up to 20 mV. I found that the properties of these spikelets fit best to an axonal generation mechanism. Second, I explored the hypothesis that somatic spikelets of axonal origin can be evoked with somato-dendritic inputs. I identified the conditions allowing these orthodromic inputs to trigger an action potential at the axon initial segment, which propagates along the axon to the postsynaptic targets, but fails to elicit an action potential in the soma and the dendrites. Third, I simulated extracellular waveforms of action potentials and spikelets and compared them to experimental data (Chorev and Brecht, 2012). This comparison demonstrated that the extracellular waveforms of single-cell spikelets of axonal origin are consistent with the data. Together, my results suggest that spikelets in pyramidal neurons might originate at the axon initial segment within a single cell. Such a mechanism might be a way of reducing the energetic costs associated with the generation of output action potentials. Moreover, it might allow to control the dendritic plasticity by backpropagating action potentials.