Information processing at the calyx of Held synapse under natural conditions [Elektronische Ressource] / von Joachim Hermann

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Publié par	ludwig-maximilians-universitat_munchen
Publié le	01 janvier 2008
Nombre de lectures	7
Langue	English
Poids de l'ouvrage	5 Mo

Extrait

Information Processing
at the Calyx of Held Synapse
Under Natural Conditions
Joachim Hermann
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
vorgelegte Dissertation der Fakultät für Biologie
der Ludwig–Maximilians–Universität München von
Joachim Hermann
aus Münster / Westfalen
München, 17.01.2008Erstgutachter:.......................Univ.-Prof. Dr. Benedikt Grothe
Zweitgutachter:..................... Dr. Christian Leibold
Tag der mündlichen Prüfung:...............................11.03.2008
2“No job too dirty for a fucking scientist”
– William S. Burroughs
34Contents
List of Figures 9
Abbreviations 11
Summary 13
Zusammenfassung 15
1 Introduction 19
1.1 The auditory brainstem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 The calyx of Held . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Short-term plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Objective of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Materials and Methods 29
2.1 In vivo recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1 Surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2 Recordings of neural activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 Stimulus presentation and recording protocols . . . . . . . . . . 32
2.2 In vitro recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Slice preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Whole-cell recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Stimulation of synaptic inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.4 Conductance clamp experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.5 Miniature EPSC analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Vesicle release model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Model variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Model predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
56 Contents
3 Synaptic Transmission at the Calyx of Held 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 Spontaneous ﬁring rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 Introducing spontaneous rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.3 Eﬀects of ‘spontaneous’ ﬁring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.4 Eﬀects of simulated tone-bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 Recovery of ﬁring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.6 Recovery from depression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.7 Reduced synaptic reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1 Background ﬁring in MNTB neurons . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Prolonged spontaneous spiking . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.3 Reliability of synaptic transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 Modeling Short-Term Synaptic Plasticity 65
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 Poisson distributed test trains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.2 Model variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.3 Stimulation with trains consisting of regularly spaced intervals . 74
4.2.4 Natural stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 Transition Between Unconditioned and Conditioned State 83
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.1 Beginning of conditioning period . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.2 Vesicle pool recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.3 Miniature EPSCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6 General Discussion 97
6.1 The functional role of the MNTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Additional input to the MNTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Contents 7
6.3 Implications for other nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Bibliography 105
Contributions to the Manuscript 117
Curriculum Vitæ 119
Danksagung 121
Ehrenwörtliche Versicherung 1238List of Figures
1.1 A schematic drawing of the auditory brainstem. . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 An artist’s rendering of a MNTB neuron. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1 Spike waveforms and raster displays of two single MNTB neurons . . . 31
3.1 Illustration of in vivo activity in the MNTB . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Spontaneous ﬁring rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 EPSC amplitudes in response to diﬀerent conditioning pulse trains . . . 44
3.4 Response of neurons to high frequency stimulation . . . . . . . . . . . . 47
3.5 PSTHs of a single MNTB neuron’s in vivo response . . . . . . . . . . . 49
3.6 Recovery from depression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7 Reliability of synaptic transmission in spontaneously active synapses . . 55
4.1 Poisson distributed test trains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Model variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Stimulation with trains consisting of regularly spaced intervals . . . . . 75
4.4 Summary graphs showing the diﬀerences between experimental data
and model prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5 Natural stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 Development of EPSC amplitudes during conditioning . . . . . . . . . 85
5.2 Devt of model parameters over time . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3 Vesicle pool recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Comparison of recovery between unconditioned and conditioned state . 91
5.5 Development of miniature EPSCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
910

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