Universität zu Köln

Schleicher, Sabine (2014). The Calcium-dependent Potassium Current in Olfactory Interneurons of the Cockroach Periplaneta americana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The olfactory system of insects has already served as a suitable model to investigate mechanisms of general information processing. Thus, insect olfactory neurons were used to study physiology, transmitter content, from that evoked currents as well as sensory processing on a network level. As an important step towards understanding how distinct electrophysiological properties of neurons are generated by intrinsic currents, I used whole-cell patch-clamp recordings to analyze biophysical and pharmacological properties of the calcium-dependent potassium current (IK(Ca)) from unequivocally identified uniglomerular projection neurons (uPNs) and local interneurons (LNs) in the adult, intact brain of the cockroach Periplaneta americana. Steady-state activation at defined intracellular Ca2+ concentrations ([Ca2+]i] revealed highest Ca2+-sensitivity of IK(Ca) from type I LN, IK(Ca) from other AL interneurons require at least 10 fold higher [Ca2+]i to activate at physiological membrane potential. IK(Ca) from all AL interneurons was clearly dependent on voltage and calcium, while biophysical properties of IK(Ca) delineate distinct qualities in calcium dependent activation. While IK(Ca) from type I LNs is rigidly activated in response to Ca2+ influx, biophysical properties of IK(Ca) from uPNs, and type II LNs suggest a beneficial effect by ICa activation. Steady-state activation with simultaneous Ca2+ influx revealed that IK(Ca) is active at subthreshold potential and high extracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]O) uncoupled IK(Ca) activation from ICa in uPNs, type IIb LNs, and the major part of type IIa LNs. A remarkable high current density of IK(Ca) was found in uPNs, whereas in type I LNs the slowest time course of Ca2+-dependent activation was observed. Although IK(Ca) from all AL interneurons is activated at subthreshold potential, buffering the membrane potential after excitatory Ca2+ influx, current-clamp recordings of spiking AL interneurons preclude an impact of IK(Ca) on membrane resting potential. Within the population of type II LNs, the quality of biophysical properties varied within the range bounded by uPNs and type I LNs. Whereby IK(Ca) from type IIb LNs displayed fastest time course of Ca2+ dependent activation and inactivation. In type IIa LN population greatest variability of data was observed, which might arise from different subtypes of type IIa LNs. However, differential Ca2+ sensitivity could not be assigned to KCa channel subtypes. IK(Ca) from all AL interneurons were insensitive to the SK channel blocker apamin, whereas charybdotoxin(ChTX) achieved complete inhibition of IK(Ca) yielding in an EC50 of 2 nM for uPNs and 4 nM for both type I and type II LNs. Iberiotoxin, a BK channel specific inhibitor displayed similar but less potent effects than ChTX, suppressing only a fraction of IK(Ca) in all AL interneurons even at the highest applied concentration. Biophysical properties of IK(Ca) delineate distinct qualities in calcium sensitivity and Ca2+ dependent as well as voltage dependent activation, even though IK(Ca) seems to be mediated by BK channels in all types of AL interneurons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Der Kalzium-abhängige Kaliumstrom in olfaktorischen Interneuronen der Schabe Periplaneta americana German
Translated abstract:	Abstract Language Das olfaktorische System von Insekten hat sich seit langem bewährt um allgemeine Mechanismen der olfaktorischen Informationsverarbeitung zu untersuchen. Gerüche werden von olfaktorischen Rezeptorneuronen detektiert, welche in spezifische Glomeruli des Antennallobus (AL) projizieren. Hier wird die olfaktorische Information von lokalen Interneuronen (LNs) prozessiert und von Projektionsneuronen (PNs) zu höheren Hirnregionen weitergeleitet. Die beteiligten Neurone lassen sich anhand von Transmittern und Ionenkanälen sowie ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften unterscheiden, dennoch ist unbekannt wie die verschiedenen elektrophysiologischen Eigenschaften durch zelleigene Ionenkanäle generiert und moduliert werden. In dieser Studie wurden deshalb biophysikalische und pharmakologische Eigenschaften des Kalzium-abhängigen Kaliumstroms (IK(Ca)) mit Hilfe der 'whole-cell patch-clamp' Technik untersucht und spezifischen Interneuronen des AL aus intakten Hirnpräparaten von adulten Schaben (Periplaneta americana) zugeordnet. Steady-state Aktivierung mit definierten intrazellulären Kalziumkonzentrationen ([Ca2+]i) zeigte, dass der IK(Ca) von Typ I LNs die größte Sensitivität für Kalzium besitzt. In den übrigen AL Interneurontypen sind mehr als 10 mal höhere [Ca2+]i notwendig um den IK(Ca) bei physiologischem Membranpotential zu aktivieren. In allen AL Interneuronen wies der IK(Ca) deutliche Kalzium- und Spannungsabhängigkeit auf, jedoch zeigten die biophysikalischen Eigenschaften Unterschiede in der Kalzium-abhängigen Aktivierung. Während in Typ I LNs der IK(Ca) starr als Reaktion auf Ca2+ Einstrom aktiviert wird, weisen in uniglomerulären PNs (uPNs) und Typ II LNs die biophysikalischen Eigenschaften auf einen kooperativen Effekt zwischen ICa und IK(Ca) Aktivierung hin. Steady-state Aktivierungen bei simultanen Ca2+ Einstrom zeigten, dass der IK(Ca) schon bei unterschwelligem Membranpotential aktivierbar ist und, dass sich in uPNs, Typ IIb LNs und den meisten Typ IIa LNs bei hohen extrazellulären Kalziumkonzentrationen ([Ca2+]O) die IK(Ca) Aktivierung vom ICa emanzipiert. In uPNs wurde zudem eine außergewöhnlich hohe Stromdichte festgestellt, dagegen wurde in Typ I LNs der langsamste Verlauf der Kalzium-abhängigen Aktivierung gemessen. Der IK(Ca) ist in allen AL Interneuronen bereits bei unterschwelligem Membranpotential aktivierbar um erregenden Ca2+ Einstrom entgegen zu wirken. Dennoch wurde bei 'current-clamp' Experimenten kein Einfluss auf das Ruhemembranpotential von uPNs und Type I LNs nachgewiesen. In Typ IIb LNs zeigte der IK(Ca) den schnellsten Verlauf von Kalzium-abhängiger Aktivierung und Inaktivierung. Während in der Population der Typ IIa LNs die breiteste Streuung der Messwerte festzustellen war. Dies könnte auf unterschiedliche Subtypen von IIa LNs zurückzuführen sein. Trotz großer Unterschiede in der Kalziumsensitivität konnten diese keinen Kanal Subtypen zugeordnet werden. In allen AL Interneuronen war IK(Ca) unempfinglich gegenüber dem SK Kanal Inhibitor Apamin. Dagegen wurde in allen AL Interneuronen mit Charybdotox(ChTX) eine vollständige Inhibition des IK(Ca) erreicht. In uPNs wurde ein EC50 Wert von 2 nM ermittelt, in allen Typen von LNs lag der EC50 Wert bei 4 nM. Iberiotoxin (IbTX), ein BK Kanal Inhibitor mit hoher Spezifität, zeigte einen ähnlichen aber weniger wirksamen Effekt als ChTX. Selbst bei der höchsten verwendeten IbTX Konzentration wurde nur ein Teil des IK(Ca) gehemmt. Obwohl IK(Ca) aus verschiedenen AL Interneuronen Unterschiede in der Kalziumsensitivität, in der Kalzium-abhängigen sowie spannungsabhängigen Aktivierung aufweisen, scheint der IK(Ca) in allen AL Interneuronen durch BK Kanäle geleitet zu werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schleicher, Sabine sabine_schleicher@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-57283
Date:	2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language olfaction, Periplaneta americana, chemosensory, antennal lobe interneurons, calcium-dependent potassium current, uniglomerular projection neurons, local interneurons, patch-clamp recordings, charybdotoxin, iberiotoxin, apamin English
Date of oral exam:	23 June 2014
Referee:	Name Academic Title Kloppenburg, Peter Prof. Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5728