Die Entwicklung der neonatalen hippokampalen Netzwerkaktivität bei Mus musculus – Vergleich von Wildtyp (Linnaeus 1758) und einer Vorderhirn-spezifischen NKCC1-KO Mutante (Emx1 cre /Slc12a2 fl/fl )

Hinsch, Robin Till (2025). Die Entwicklung der neonatalen hippokampalen Netzwerkaktivität bei Mus musculus – Vergleich von Wildtyp (Linnaeus 1758) und einer Vorderhirn-spezifischen NKCC1-KO Mutante (Emx1 cre /Slc12a2 fl/fl ). PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die frühe Netzwerkentwicklung des murinen Hippocampus (Ammonshorn-Region, CA1) innerhalb der ersten beiden Lebenswochen zu charakterisieren. Hierzu wurden zum einen die elektrophysiologischen Ereignisse von C57Black/6 Mäusen im Alter Postnatal (P)3, P5, P7, P9, P12 und P14 und zum anderen die die elektrophysiologischen Ereignisse von Na2+/K+/2Cl-Cotransporter (NKCC1) Knockout (KO) und Wildtyp (WT) im Vergleich im Alter von P4, P7 und P12 beschrieben und charakterisiert. Die hippokampalen Netzwerkmuster (HNM) veränderten sich schrittweise von klar abzugrenzenden Ereignissen mit langen Phasen Oszillatorischer Ruhe an P3 und P5 über lange Ereignisse mit wenigen Ruhephasen an P7 und P9 bis hin zu einer nahezu kontinuierlichen Oszillatorischen Aktivität an P12 und P14. Dies bestätigt eine Altersgruppierung, die so z. B. auch im Barrel-Cortex beschrieben wurde und womöglich strukturübergreifende grundsätzliche Entwicklungsstufen der Maus repräsentiert und daher bei der Planung von elektrophysiologischen Mausexperimenten berücksichtigt werden sollte. Sharp-Waves (SPW) konnten in allen Altersgruppen und Genotypen detektiert und charakterisiert werden. Eine Charakterisierung anhand der auftretenden Stromsenke (Sinks) im Current-Source-Density (CSD) entlang der Achse Stratum Oriens (STO) à Stratum Pyramidale (STP) à Stratum Radiatum (STR) à Stratum Lacunosum Molekulare (STLM) à Gyrus Dentatus (DG) ergab mindestens vier deutlich voneinander zu unterscheide SPW-Typen: (1) Doppel (DPL)-SPW: SPW mit zwei Sinks die in kurzer Abfolge in den Schichten des STR und STLM auftraten; (2) Oriens (ORI)-SPW: SPW mit einem Sink im STO; (3) Proximale (PRX)-SPW: SPW mit einem proximalen Sink im STR, diese SPW traten ab P9 vermehrt als SPR auf und (4) Distale (DST)-SPW: SPW mit einem distalen Sink in STLM. DPL-SPW dominierten in den Altersstufen P3 und P5, während P7 ein Alter mit hoher Varianz an SPW darstellte. Ab P9 wurden vor allem DST-SPW detektiert und mit P12 hatten PRX-SPW einen deutlichen höheren Anteil. Stimulationsexperimente bestätigten eine funktionale Verbindung aus CA3 als Ursache für PRX-SPW ab einem Alter von P7, während für DST-SPW die Signalquelle mindestens vom perforant path (PP) ausgehen musste. Der vorderhirnspezifischer KO von NKCC1 hatte keinen profunden Einfluss auf das Auftreten und die Komposition der vier verschiedenen SPW-Typen. Bei der Untersuchung des primären visuellen Cortex (V1) wurden neben bekannten Ereignissen wie Slow-activity-transients (SAT) und Spindle-Oszillationen eine in dieser Form in der Maus noch nicht beschriebenes Ereignis dokumentiert, die lange V1 „β-Oszillation“. Die vorliegende Arbeit bietet den ersten umfassten elektrophysiologischen Überblick über die ersten zwei Lebenswochen der Maus (P3 – P14). Sie kann hierbei als Referenz für zukünftige Arbeiten dienen und zeigt, dass die elektrophysiologische Entwicklung kein gleichmäßiger Vorgang ist, sondern in bestimmten Abschnitten stattfindet. Diese Abschnitte sind möglicherweise von besonderer Bedeutung, wenn es um die Frage einer Krankheitsbehandlung im „verwundbaren Zeitfenster“ geht.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
The development of the neonatal hippocamp network activity in Mus musculus - Comparison between wildtype (Linnaeus 1758) and a forebrain specific NKCC1-KO mutant (Emx1 cre /Slc12a2 fl/fl)	English

Translated abstract:

Abstract

Language

The aim of this thesis was to characterize the early network development of the murine hippocampus (Ammon's horn region, CA1) within the first two weeks of life. Electrophysiological events in C57Black/6 mice aged P3, P5, P7, P9, P12, and P14 were characterized, alongside a comparison between NKCC1 KO and WT at P4, P7, and P12. HNM evolved from distinct events with prolonged oscillatory rest periods at P3 and P5, to extended events with fewer rest periods at P7 and P9 and culminating in nearly continuous oscillatory activity at P12 and P14. This developmental progression mirrors age-related changes observed in the barrel cortex, suggesting fundamental developmental stages across structures that should be considered in planning mouse electrophysiological experiments. SPW were detected and characterized across all age groups and genotypes. Analysis based on CSD revealed at least four distinct SPW types along the STO à STP à STR à STLM à DG axis: (1) DPL-SPW: with two sinks occurring in quick succession or simultaneously in the STR and STLM; (2) ORI-SPW: with a sink in STO; (3) PRX-SPW: featuring a proximal sink in STR, transitioning to SPR from P9 onwards; and (4) DST-SPW: with a distal sink in STLM. DPL-SPW predominated at P3 and P5, whereas P7 exhibited high variability in SPW types. From P9 onwards, DST-SPW predominated, with PRX-SPW becoming prominent at P12. Stimulation experiments confirmed a functional connection from CA3 as the source of PRX-SPW from P7 onwards, while DST-SPW required the PP as the signal source. A frontal cortex-specific NKCC1 KO showed no significant impact on the occurrence and composition of the four SPW types. Investigation of the V1 revealed a novel event termed the long V1 "β-oscillation" not previously described in mice. This study provides a comprehensive electrophysiological overview of the first two weeks of mouse development (P3 –P14), serving as a reference for future research. It highlights that electrophysiological development occurs in distinct phases, potentially critical for understanding vulnerability windows in disease treatment strategies.

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