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Parvalbumin-expressing interneurons in cortical networks are coupled by gap-junctions, forming a syncytium that supports propagating epileptiform discharges, induced by 4-aminopyridine. It remains unclear, however, whether these propagating events occur under more natural states, without pharmacological blockade. In particular, we investigated whether propagation also happens when extracellular K+ rises, as is known to occur following intense network activity, such as during seizures. We examined how increasing [K+]o affects the likelihood of propagating activity away from a site of focal (200-400µm) optogenetic activation of PV-interneurons. Activity was recorded using a linear 16-electrode array placed along layer V of primary visual cortex. At baseline levels of [K+]o (3.5mM), induced activity was recorded only within the illuminated area. However, when [K+]o was increased above a threshold level (50th percentile= 8.0mM; interquartile range= 7.5-9.5mM), time-locked, fast-spiking unit activity, indicative of parvalbumin-expressing interneuron firing, was also recorded outside the illuminated area, propagating at 59.1 mm/s. Blockade of glutamatergic synaptic transmission reduced the efficacy of propagation, but could be restored by further increasing [K+]o. Propagation was further reduced, and in most cases prevented altogether, by pharmacological blockade of gap-junctions, achieved by any of three different drugs, quinine, mefloquine or carbenoxolone. Wash-out of quinine rapidly re-established the pattern of propagating activity. Computer simulations show qualitative differences between propagating discharges in high [K+]o and 4-aminopyridine, arising from differences in the electrotonic effects of these two manipulations. These interneuronal syncytial interactions are likely to affect the complex electrographic dynamics of seizures, once [K+]o is raised above this threshold level.Significance statementWe demonstrate the spatially extended propagation of activity through a gap-junction mediated syncytium of parvalbumin-expressing interneurons, in conditions that are known to exist at times within the brain. Previous work has only shown gap-junction coordination very locally, through directly connected cells, or induced at a distance by pharmacological means. We show that cell-class specific spread is facilitated by raised extracellular K+. This is highly pertinent to what happens at the onset of, and during, seizures, when extracellular K+ can rise rapidly to levels well in excess of the measured threshold for propagation. Our data suggests that interneuronal coupling will be enhanced at this time, and this has clear implications for the behaviour of these cells as seizures progress.

Amacrine cells are critical for processing of visual signals, but little is known about their electrotonic structure and passive membrane properties. AII amacrine cells are multifunctional interneurons in the mammalian retina and essential for both rod- and cone-mediated vision. Their dendrites are the site of both input and output chemical synapses and gap junctions that form electrically coupled networks. This electrical coupling is a challenge for developing realistic computer models of single neurons. Here, we combined multiphoton microscopy and electrophysiological recording from dye-filled AII amacrine cells in rat retinal slices to develop morphologically accurate compartmental models. Passive cable properties were estimated by directly fitting the current responses of the models evoked by voltage pulses to the physiologically recorded responses, obtained after blocking electrical coupling. The average best-fit parameters (obtained at − 60 mV and ~ 25 °C) were 0.91 µF cm−2 for specific membrane capacitance, 198 Ω cm for cytoplasmic resistivity, and 30 kΩ cm2 for specific membrane resistance. We examined the passive signal transmission between the cell body and the dendrites by the electrotonic transform and quantified the frequency-dependent voltage attenuation in response to sinusoidal current stimuli. There was significant frequency-dependent attenuation, most pronounced for signals generated at the arboreal dendrites and propagating towards the soma and lobular dendrites. In addition, we explored the consequences of the electrotonic structure for interpreting currents in somatic, whole-cell voltage-clamp recordings. The results indicate that AII amacrines cannot be characterized as electrotonically compact and suggest that their morphology and passive properties can contribute significantly to signal integration and processing. acceptedVersion

In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Fragestellungen untersucht: (1) Kann durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten von Pyramidenneuronen ein LTP ("long-term potentiation")- und/oder LTD ("long-term depression")-ähnlicher Effekt induziert werden? (2) Wie groß ist gegebenenfalls die räumliche Spezifität dieses Effektes? (3) Ist synaptisch induzierte LTD mit einer Reduktion der postsynaptischen Glutamatsensitivität assoziiert? (4) Wie sind GABAA- und GABAB-Rezeptoren relativ zueinander auf der Membran des apikalen Dendriten verteilt? Die Experimente wurden an Lamina V Pyramidenneuronen in Hirnschnitten des somatosensorischen Neocortex der Ratte durchgeführt. Für die gezielte Stimulation mit Neurotransmittern wurden die Neurone mit der Infrarotvideomikroskopie visualisiert und ihre elektrische Aktivität mit "Patch"-Pipetten abgeleitet. Die Applikation des Neurotransmitters (Glutamat, GABA) erfolgte durch die photolytische Freisetzung desselben aus einer durch Veresterung inaktivierten ("caged") Verbindung (Infrarot-gelenkte Photostimulation). Im ersten Teil der Dissertation konnte gezeigt werden, daß durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten eine Reduktion der Glutamatantwort-Amplitude (Photostimulations-LTD) ausgelöst werden kann. Diese Form von Langzeitplastizität wird rein postsynaptisch exprimiert, ist mit einer Abnahme der dendritischen Glutamatsensitivität assoziiert und besitzt die selben Eigenschaften sowie Induktions- und Expressionsmechanismen wie synaptische LTD. Dies deutet stark darauf hin, daß auch die Expression synaptischer LTD im Neocortex rein postsynaptisch erfolgt. Die hohe räumliche Auflösung der Infrarot-gelenkten Photostimulation ermöglichte es weiterhin die räumliche Spezifität der Photostimulations-LTD zu untersuchen. Sie betrug mindestens 10 µm. Dies weist darauf hin, daß eine Feinabstimmung der Transmissionsstärke in Abhängigkeit von der synaptischen Aktivität auf der Ebene einzelner Synapsen stattfindet. Da LTP und LTD die prominentesten zellulären Modellvorstellungen von Lernvorgängen sind, würde sich ein derart hochspezifischer Mechanismus für eine "high-density" Speicherung von Information gut eignen. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die differentielle Verteilung von funktionellen GABAA- und GABAB-Rezeptoren entlang des apikalen Dendriten untersucht. Hierzu wurden die Neurone am Soma abgeleitet und GABA (Gamma-Aminobuttersäure) schrittweise in Richtung des distalen Dendriten appliziert. Bei dieser Kartierung der GABA-Sensitivität zeigten sowohl die Amplituden der GABAA- als auch die der GABAB-Antworten einen statistisch identischen, linearen Abfall in Richtung des distalen Dendriten. Dieser Befund deutet unter Berücksichtigung der Kabel-Theorie darauf hin, daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Die Kabel-Theorie besagt, daß die schnellen GABAA-Antworten elektrotonisch stärker in der Amplitude abgeschwächt werden, als die langsamen GABAB-Antworten. Diese unterschiedlich starke elektrotonische Beeinflussung der GABAA- und GABAB-Antworten konnte durch numerische Simulationen quantifiziert werden. Weiterhin wurde eine Art inverses Experiment durchgeführt. Hierzu wurden die Neurone am apikalen Dendriten abgeleitet und GABA schrittweise in Richtung des Somas appliziert. Die Ergebnisse dieser Kartierung wurden mit theoretischen Voraussagen verglichen, die auf den Ergebnissen der somatischen Ableitungen und den numerischen Simulationen der elektrotonischen Amplitudenabschwächung basierten. Es zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Dies bestätigt, daß die numerischen Simulationen korrekt durchgeführt wurden und daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Der bei den somatischen Ableitungen beobachtete statistisch identische Abfall der Amplituden der GABAA- und GABAB-Antworten zeigt, daß das Soma von jedem dendritischen Stimulationsort die GABAA- und GABAB-Antworten im selben Amplitudenverhältnis empfängt. Das in Richtung des distalen Dendriten kontinuierlich zunehmende relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren scheint demnach Unterschiede in der elektrotonischen Amplitudenabschwächung zwischen GABAA- und GABAB-Antworten zu kompensieren. Dies weist stark darauf hin, daß die differentielle Verteilung von ligandengesteuerten Ionenkanälen ein grundlegender Mechanismus bei Neuronen ist, um den passiven Kabeleigenschaften entgegenzuwirken. In this thesis the information transfer with glutamate and GABA was investigated on neo-cortical pyramidal neurons using controlled photostimulation .