Differences of Ca2+ Handling Properties and Differential Processing of Olfactory Information in Identified Central Olfactory Neurons

Pippow, Andreas (2008). Differences of Ca2+ Handling Properties and Differential Processing of Olfactory Information in Identified Central Olfactory Neurons. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Informationsverarbeitung in Neuronen ist von hoch lokalisierten Kalziumsignalen abhängig. Die räumliche und zeitliche Dynamik solcher Signale wird von mehreren zellulären Parametern bestimmt, u.a. vom Kalzium-Einstrom, der Kalzium-Pufferung und der Pumprate von Kalzium aus der Zelle. Das langfristige Ziel dieser Arbeit gilt dem besseren Verständnis darüber, wie intrazelluläre Kalzium-Dynamiken kontrolliert werden und zur Informationsverarbeitung in Interneuronen des olfaktorischen Systems von Insekten, welches als hervorragendes Modellsystem für allgemeine Mechanismen der Olfaktorik dient, beitragen. Ich habe die patch-clamp Technik und schnelle optische imaging Methoden mit dem added buffer approach kombiniert, um die zellulären Parameter zu analysieren, welche die Dynamik intrazellulärer Kalziumsignale bestimmen. Dafür erforderliche Messungen wurden in adulten Periplaneta americana in zwei physiologisch unterschiedlichen lokalen Interneurontypen sowie in uniglomerulären Projektionsneuronen durchgeführt. In uniglomerulären Projektionsneuronen wurde durch 50 ms lange Spannungsschritte von -60 bis + 5 mV ein absoluter Kalzium Einstrom (nCa) von 0.3 fmol generiert. Die endogene Kalzium-Binderate (κS) war 418 und die Pumprate (γ) 221 s-1, was in einer Zeitkonstante (τendo) des endogenen Signals von 1.8 s resultierte. In lokalen Interneuronen waren diese Werte signifikant unterschiedlich. Lokale Interneurone vom Typ I, die keine Na+ getragenen Aktionspotentiale generieren, hatten einen nCa von 0.12 fmol, κS von 154 und γ von 141 s-1, was in einem τendo von 1.1 s resultierte. In lokalen Interneuronen vom Typ II war nCa bei 0.5 fmol, κS bei 672, γ bei 305 s-1 und τendo bei 2.2 s. Die Daten zeigen, dass die Kalziumdynamik mit zellulären Funktionen der verschiedenen Neuronentypen korreliert. Interessanterweise haben lokale Interneurone vom Typ II, die keine spannungsaktivierten Na+ Kanäle besitzen und in denen Kalzium das einzige Kation ist, welches zur Membrandepolarisation beiträgt, die höchste endogene Kalzium-Bindekapazität und -Pumprate. In einem zweiten Teil wurden lokale Aktivitäten in lokalen Interneuronen vom Typ I+II mit physiologischen Duftstimulationen untersucht. Glomeruläre duftspezifische Tuning-Kurven wurden für individuelle Interneurone aufgenommen. Diese zeigten, dass bei bestimmten Düften einige multiglomeruläre Neurone bevorzugt in nur einem Teil der innervierten Glomeruli aktiv sind, während andere lokale Interneurone unspezifisch in allen innervierten Glomeruli und bei allen Düften aktiv werden. Diese Daten legen nahe, dass einzelne Neurone durch ihre intrinsischen Eigenschaften entweder Netzwerke mit glomerulus-spezifischen oder mit unspezifischen, gleichförmigen Duftantworten bilden können.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Information processing in neurons is dependent of highly localized calcium signals. The spatial and temporal dynamics of these signals are determined by a variety of cellular parameters including calcium influx, calcium buffering and calcium extrusion. A long-term goal is to better understand how intracellular calcium dynamics are controlled and contribute to information processing in interneurons of the insect olfactory system, an excellent model to study general mechanisms of olfaction. We used patch-clamp recordings and fast optical imaging in combination with the �added buffer approach� to analyze cellular parameters that determine the dynamics of internal calcium signaling. Recordings were performed in adult Periplaneta americana from 2 types of physiologically different local interneurons and from uniglomerular projection neurons. In uniglomerular projection neurons 50 ms voltage steps from -60 to +5 mV generated an absolute Ca2+ influx (nCa) of 0.3 fmol. The endogenous Ca2+ binding ratio (κS) was 418, with an extrusion rate (γ) of 221 s-1 resulting in a decay constant of the endogenous signal (τendo) of 1.8 s. In local interneurons these values were significantly different. In type I local interneurons, which generate Na+ driven action potentials, the absolute Ca2+ influx upon a voltage steps from -60 to +5 mV (50 ms) was 0.12 fmol. The endogenous Ca2+ binding ratio was 154, the extrusion rate 141 s-1, resulting in a decay constant of 1.1 s. In type II local interneurons the absolute Ca2+ influx was 0.5 fmol, the Ca2+ binding ratio was 672, the rate of Ca2+ removal was 305 s-1 and the endogenous signal decayed with a time constant of 2.2 s. These data show a clear correlation between Ca2+ handling properties and cellular function in different neuron types. Interestingly, type II local interneurons, which do not express voltage activated sodium channels and where Ca2+ is the only cation that enters the cell to contribute to membrane depolarization, has the highest endogenous Ca2+ binding ratio and Ca2+ extrusion rate. In a second part physiological odor stimulations were applied to reveal general principles of olfactory information processing in type I and type II local interneurons. Odor specific glomerular tuning curves were obtained from individual interneurons demonstrating that some multiglomerular neurons are preferentially active in a subset of the glomeruli for certain odors. Other local interneurons unspecifically react to odors. The results suggest that glomerulus specific and unspecific networks are formed by the intrinsic properties of individual LNs.

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