Diversity of Voltage Activated Calcium Currents in Identified Olfactory Interneurons

Husch, Andreas (2007). Diversity of Voltage Activated Calcium Currents in Identified Olfactory Interneurons. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In the insect antennal lobe (AL) each olfactory receptor cell projects to one glomerulus and many receptor axons converge in each glomerulus, where they provide synaptic input to local interneurons (LNs) and projection (output) neurons (PNs). The arborizations of LNs are confined to the AL. In contrast, the PNs extend axons to higher order neuropiles of the protocerebrum, including the mushroom bodies and the lateral lobus of the protocerebrum. In particular PNs have been in the focus of intensive studies, because they serve multiple functions and play a key role in the central olfactory pathway. However, the role and functional properties of LNs are less well understood. Towards the goal to better understand the biophysical parameters that mediate olfactory information processing on the cellular level, voltage activated calcium currents (ICa) in olfactory interneurons of the AL from adult cockroach were analyzed: 1) in acutely dissociated cells (in vitro), 2) in an intact brain preparation (in situ), and 3) in unequivocally identified and intact neurons. Using whole cell patch-clamp recordings in current and voltage-clamp mode in combination with single cell staining, uniglomerular PNs (uPNs) and two major types of LNs could be identified by their physiological and morphological properties, which in the following are referred to as type I LNs and type II LNs. In type I LNs odor stimulation and depolarizing current injection elicited overshooting TTX-sensitive action potentials. Voltage-clamp recordings revealed a voltage-activated sodium current, a transient and a sustained potassium current and a calcium current. In contrast, in type II LNs odor stimulation and current injections induced membrane depolarization, but no TTX-sensitive action potentials. In some recordings small (~ 2 mV) 'spikelets' were riding on the odor evoked depolarization. In type II LNs voltage activated sodium currents were not detectable. However, ICa was significantly larger compared to type I LNs and the activation characteristics were significantly different. For type I LNs the voltage for half maximal activation (V0.5(act)) of ICa was -11.1 ± 6.5 mV, which is in the range of V0.5(act) for uPNs (V0.5(act) = -10.6 ± 3.4 mV). In contrast to this, in type II LNs the V0.5(act) of ICa is significantly shifted to more negative potentials (V0.5(act) = -19.4 ± 4.7 mV). These results suggest that the odor-evoked depolarization in type II LNs might be carried largely by ICa and that ICa might play a role in graded synaptic release between type II LNs and other olfactory interneurons.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Title	Language
Diversität spannungsaktivierter Kalziumströme in identifizierten olfaktorischen Interneuronen	German

Translated abstract:

Abstract

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Innerhalb des Antennallobus (AL) der Insekten projeziert jede Rezeptorzelle zu einem Glomerulus und viele Rezeptorneuronen konvergieren innerhalb jedes Glomerulus, wo sie lokalen Interneuronen (LNs) und (Ausgangs-) Projektionsneuronen (PNs) synaptische Eingänge liefern. Die Verzweigungen der LNs beschränken sich auf den AL. Die Projektionsneurone hingegen projizieren ihre Axone in höherrangige Neuropile des Protocerebrums, einschließlich der Pilzkörper und dem lateralen Lobus des Protocerebrum. Insbesondere Projektionsneurone waren im Fokus intensiver Studien, da sie zahlreiche Funktionen erfüllen und eine Schlüsselrolle im zentralen olfaktorischen Verarbeitungsweg spielen. Im Gegensatz dazu sind die Rolle und funktionellen Eigenschaften der LNs noch unklar. Zum besseren Verständnis der biophysikalischen Parameter, die die olfaktorische Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene vermitteln, wurden spannungsaktivierte Kalziumströme (ICa) in olfaktorischen Interneuronen des Antennallobus von adulten Schaben wie folgt analysiert: 1) in akut dissoziierten Zellen (in vitro), 2) in einer intakten Hirnpräparation (in situ) und 3) in eindeutig identifizierten und intakten Neuronen. Die Kombination von whole cell patch-clamp Ableitungen in Strom- und Spannungsklemme mit Einzelzellmarkierungen ermöglichte es, uniglomeruläre Pns (uPNs) und LNs verschiedener Untergruppen zu studieren. Anhand ihrer physiologischen und morphologischen Eigenschaften konnten zwei Hauptgruppen von LNs identifiziert werden, die im Folgenden als Typ I LNs und Typ II LNs bezeichnet werden. Duftstimulation und depolarisierende Strominjektionen lösten in Typ I LNs TTX-sensitive Aktionspotentiale aus. Ableitungen in der Spannungsklemme lösten spannungsaktivierte Natriumströme, transiente und gleichrichtende Kaliumströme und Kalziumströme aus. Im Gegensatz dazu lösten Duftstimulationen und Strominjektionen in Typ II LNs zwar Membrandepolarisationen, jedoch keine TTX-sensitiven Aktionspotentiale aus. In wenigen Ableitungen saßen kleine (2 mV) �spikelets� auf den duftevozierten Depolarisationen auf. Spannungsaktivierte Natriumströme waren in Typ II LNs nicht messbar. Die spannungsaktivierten Kalziumströme hingegen waren signifikant größer als in Typ I LNs und die Eigenschaften der Aktivierung waren signifikant unterschiedlich. In Typ I LNs lag die Spannung der halbmaximalen Aktivierung (V0.5(act)) des ICa bei -11.1 ± 6.5 mV, was im Bereich der V0.5(act) von uPNs (V0.5(act) = -10.6 ± 3.4 mV) lag. Im Gegensatz dazu war V0.5(act) in Typ II LNs zu signifikant negativeren Potentialen verschoben (V0.5(act) = -19.4 ± 4.7 mV). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die durch Duftstimulation hervorgerufenen Depolarisationen in Typ II LNs vor allem durch Kalzium Ströme getragen werden könnten und dass die spannungsaktivierten Kalzium Ströme eine Rolle in graduierter synaptischer Übertragung zwischen Typ II LNs und anderen olfactorischen Interneuronen spielen könnten.

German

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