Lebewesen sind jeden Tag Sequenzen von Ereignissen ausgesetzt, die sie sich merken wollen. Es ist jedoch ein allgemeines Problem, dass sich die Zeitskalen des Verhaltens und der Induzierung von neuronalem Lernen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Eine mögliche Lösung könnte "Phasenpräzession" sein - das graduelle Verschieben von Aktionspotential-Phasen relativ zur Theta-Oszillation im lokalen Feldpotential. Phasenpräzession ermöglicht es, Verhaltens-Sequenzen zeitlich zu komprimieren, herunter bis auf die Zeitskala von synaptischer Plastizität. In dieser Arbeit untersuche ich das Phasenpräzessions-Phänomen im medialen entorhinalen Kortex der Ratte. Ich entdecke, dass entorhinale Gitterzellen auf der für das Verhalten relevanten Einzellaufebene Phasenpräzession zeigen und dass die Phasenpräzession in Einzelläufen stärker ist als in zusammengefassten Daten vieler Läufe. Die Analyse von Einzelläufen zeigt zudem, dass Phasenpräzession (i) in Zellen aus allen Schichten des entorhinalen Kortex existiert und (ii) von den komplexen Bewegungsmustern der Ratten in zweidimensionalen Umgebungen abhängt. Zum Abschluss zeige ich, dass Phasenpräzession zelltyp-spezifisch ist: Sternzellen in Schicht II des medialen entorhinalen Kortex weisen klare Phasenpräzession auf, wohingegen Pyramidenzellen in der selben Schicht dies nicht tun. Diese Ergebnisse haben weitreichende Implikationen sowohl für das Lokalisieren des Ursprungs als auch für die m"oglichen Mechanismen von Phasenpräzession. / Every day, animals are exposed to sequences of events that are worth recalling. It is a common problem, however, that the time scale of behavior and the time scale for the induction of neuronal learning differ by multiple orders of magnitude. One possible solution could be a phenomenon called "phase precession" - the gradual shift of spike phases with respect to the theta oscillation in the local field potential. Phase precession allows for the temporal compression of behavioral sequences of events to the time scale of synaptic plasticity. In this thesis, I investigate the phase-precession phenomenon in the medial entorhinal cortex of the rat. I find that entorhinal grid cells show phase precession at the behaviorally relevant single-trial level and that phase precession is stronger in single trials than in pooled-trial data. Single-trial analysis further revealed that phase precession (i) exists in cells across all layers of medial entorhinal cortex and (ii) is altered by the complex movement patterns of rats in two-dimensional environments. Finally, I show that phase precession is cell-type specific: stellate cells in layer II of the medial entorhinal cortex exhibit clear phase precession whereas pyramidal cells in the same layer do not. These results have broad implications for pinpointing the origin and possible mechanisms of phase precession.

Der entorhinale Cortex (EC) nimmt eine zentrale Stellung im limbischem System ein und ist darüber hinaus eine Verbindungsstelle zwischen Hippocampus und Cortex. Um die Eigenschaften der Projektionszellen im EC genauer zu charakterisieren, führten wir intrazelluläre Ableitungen an den Neuronen der oberflächlichen (Schicht II und III) und der tiefen (Schicht IV-VI) Schichten durch, von denen etwa ein Viertel während der Ableitung mit dem Farbstoff Biozytin gefärbt werden konnten. In Schicht III des medialen EC fanden wir vier unterschiedliche Zelltypen, von denen zwei als Projektionsneurone (Typ 1 und Typ 2) charakterisiert wurden. Die Projektionszellen der Schicht III besitzen eine niedrige Schwelle zur Auslösung synaptisch evozierter Aktionspotentiale. Daneben konnten wir zwei weitere Typen von Zellen (Typ 3 und Typ 4) bestimmen, deren Somata in der Schicht III lagen, die aber nicht in den Hippocampus projizierten, sondern lokal im EC verschaltet waren. In den tiefen Schichten des EC fanden sich zur Area Dentata (AD) projezierende bipolare und multipolare Neurone, die trotz der morphologischen Ähnlichkeit mit GABAergen Interneuronen die typischen elektrophysiologischen und neurochemischen Eigenschaften von Prinzipalzellen des EC besitzen. Diese Neurone können vermutlich Funktionen von sowohl Lokal- als auch Projektionszellen übernehmen und dementsprechend die schnelle Informationsübertragung zwischen den tiefen und oberflächlichen Schichten einerseits und zwischen EC und AD andererseits ausüben. Um der Frage nachzugehen, unter welchen Bedingungen die Schicht II- und III-Projektionszellen aktiviert werden, führten wir repetitive synaptische Reizungen im EC durch. Hochfrequente repetitive synaptische Reizung (> 10 Hz) führt zu einer bevorzugten Aktivierung der Schicht II-Zellen. Hingegen werden die Schicht III-Zellen bei niedrigeren Reizfrequenzen (< 6 Hz) bevorzugt aktiviert und Schicht II-Zellen gleichzeitig gehemmt. Dies läßt vermuten, daß der Informationstransfer zwischen EC und Hippocampus frequenzabhängig gesteuert wird. / The entorhinal cortex (EC) occupies a key position in the limbic system because it functions as a relay station between the hippocampus and cortex. To analyze the properties of the projection cells of the EC we used intracellular recordings from superficial (layers II and III) and deep layers (layers IV-VI). Intracellular electrodes contained the marker biocytin and the labeled neurons were processed for posthoc anatomical identification. We can classify medial EC layer III cells into four different types. Type 1 and 2 cells were projection cells. These cells exhibited a low threshold of action potential generation upon synaptic stimulation. We identified the two other, presumed local circuit type 3 and type 4 cells, whose axons remained within the EC. In deep EC layers we described bipolar and multipolar neurons which form projections from the deep layers of the EC to the dentate gyrus (DG). Despite the morphological similarity of these cells to those of GABAergic interneurons in the EC, their electrophysiological characteristics were similar to those of principal neurons. We conclude that neurons of the deep layers of the EC that project to the DG may function both as local circuit and projection neurons thereby providing a rapid transfer of information from deep layers of the EC to the DG and superficial layers of the EC. We next studied how the separate pathways from layers II and III of the EC to the hippocampus are preferentially effective as a function of stimulation frequency. High frequency (>10 Hz) synaptic activation of the EC was more effective at eliciting action potentials from layer II EC neurons. In contrast, during low frequency (

1. Interaktion zwischen entorhinalem Kortex und Hippokampus Lernen und Gedächtnis sind auf das engste mit dem Hippokampus und dem entorhinalen Kortex (EC) verbunden. Allerdings sind diese Hirnstrukturen auch an einer der häufigsten und medikamentös oftmals nur schwer therapierbaren fokalen Epilepsien beteiligt: der mesialen Temporallappenepilepsie (TLE). Der EC scheint eine wesentliche Bedeutung in der Generierung extrahippokampaler Temporallappenanfälle zu besitzen. Unsere bisherigen Untersuchungen zur Interaktion zwischen dem EC und dem Hippokampus haben gezeigt, daß unter physiologischen Bedingungen die Area dentata eine Filterfunktion übernimmt und die Übertragung epileptiformer Aktivität vom EC zum Hippokampus unterbindet. Im chronisch epileptischen Tier (Kindling-Modell) kommt es allerdings zu einer Aufhebung dieser Filterfunktion und somit zu einer ungehinderten Ausbreitung epileptiformer Aktivität in den Hippokampus. Da der glutamaterge NMDA-Rezeptor eine zentrale Rolle in der Induktion nutzungsabhängiger Plastizität spielt, ist er von wesentlicher Bedeutung in der Epileptogenese. Untersuchungen an Körnerzellen der Area dentata zeigten wenige Stunden nach dem letzten epileptischen Anfall eine Zunahme der über NMDA-Rezeptoren vermittelten Ströme. Diese führte zu einer Faszilitierung hochfrequenter reizevozierter Potentiale. Dieser Befund zeigt, daß im epileptischen Gewebe hochfrequente Entladungen die Area dentata überwinden können und in den Hippokampus weitergeleitet werden. Vier Wochen nach dem letzten Anfallsereignis waren die beschriebenen Veränderungen allerdings nicht mehr nachweisbar. Diese kurzzeitig veränderte synaptische Transmission der NMDA-Rezeptorkanäle scheint demzufolge eher für die Epileptogenese als für die Ictogenese verantwortlich zu sein. Die Bedeutung der Kainat-Rezeptoren im chronisch epileptischen Gewebe ist aufgrund der bis vor wenigen Jahren fehlenden selektiven Agonisten und Antagonisten kaum untersucht worden. Wir haben gezeigt, daß in der Area dentata des chronisch epileptischen Tieres (Kindling-Modell) die Aktivierung von präsynaptischen Kainat-Rezeptoren inhibitorischer Interneurone sowohl die spontane als auch die reizevozierte GABA-Freisetzung reduziert. Über diesen Mechanismus scheint der während eines epileptischen Anfalls vermehrt freigesetzte exzitatorische Neurotransmitter Glutamat die GABAerge Inhibition zu vermindern und somit die Erregbarkeit der Area dentata zu steigern. 2. Die Rolle des Subikulums in der Temporallappenepilepsie Eine wesentliche Aufgabe des Subikulums ist es, hippokampale Informationen zu verarbeiten und in verschiedene kortikale und subkortikale Hirnregionen weiterzuleiten. Zudem scheint es von besonderer Bedeutung für die Generierung und Ausbreitung hippokampaler Anfälle zu sein. Gestützt wird diese Annahme durch folgende Befunde: Zunächst besitzt das Subikulum Netzwerkeigenschaften, die es ihm im in vitro Epilepsiemodell ermöglichen, spontane epileptiforme Aktivität zu generieren. Darüber hinaus verfügt es über einen hohen Anteil sogenannter burst-spiking Zellen. Deren intrinsische Eigenschaften tragen erheblich zu dem epileptogenen Verhalten des Subikulums bei. Weiterhin erhalten subikuläre Pyramidenzellen exzitatorische Eingänge sowohl aus der Area CA1 als auch aus dem EC, welche bereits bei Ruhemembranpotential aktivierbare NMDA-Rezeptorströme zeigen. Schließlich zeigen burst-spiking Zellen im Vergleich zu regular-spiking Zellen eine ausgeprägte über NMDA-Rezeptoren vermittelte synaptische Plastizität (Langzeit-Potenzierung; LTP). Untersuchungen am chronisch epileptischen Tier (Kindling-Modell) ergaben einen unverändert hohen Anteil an burst-spiking Zellen im Subikulum. Wenige Stunden nach dem letzten epileptischen Anfall fällt bei diesen Neuronen eine fehlende, durch Aktionspotentiale induzierte Nachhyperpolarisation auf. Diese supprimierte intrinsische Hemmung ist jedoch 28 Tage nach dem letzten epileptischen Anfall nicht mehr nachzuweisen und spielt demzufolge insbesondere in der Genese, weniger im chronischen Verlauf der Erkrankung eine Rolle. Neben den exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmittern Glutamat und GABA bestimmen auch körpereigene Amine wie Serotonin und Dopamin über subkortikale Afferenzen das funktionelle Gleichgewicht aus Erregung und Hemmung wesentlich mit. Da die TLE nicht selten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen einhergeht, die mit in das Dopamin- und Serotoninsystem eingreifenden Pharmaka therapiert werden, haben wir uns in einigen Arbeiten mit deren modulatorischen Wirkungen auf die Membraneigenschaften und die synaptische Transmission befaßt. Die Wirkungen von Dopamin auf die Neurotransmission sind vielfältig, abhängig von den beteiligten Rezeptoren in der entsprechenden Hirnregion. Das Subikulum, das eine ausgeprägte mesenzephale, dopaminerge Projektion vom ventralen Tegmentum erhält, expremiert sowohl D1- als auch D2-Rezeptoren. Wir konnten zeigen, daß Dopamin primär die glutamaterge synaptische Transmission über einen präsynaptisch lokalisierten D1-Dopaminrezeptor unterdrückt und sekundär über die verminderte Erregung inhibitorischer Interneurone die polysynaptische GABAerge Hemmung reduziert. / 1. Interaction between the entorhinal cortex and the hippocampus The hippocampus and the entorhinal cortex are crucially involved in the acquisition, consolidation and retrieval of long-term memory traces. However, both structures play a critical role in pharmacologically intractable temporal lobe epilepsy. The entorhinal cortex provides the main input to the hippocampus. We have shown that kindling facilitates the propagation of epileptiform activity through the dentate gyrus. Our data are consistent with the normal function of the dentate gyrus as a filter limiting the spread of epileptiform activity within the entorhinal-hippocampal complex. This gating mechanism breaks down after chronic epilepsy induced by kindling. In the mammalian brain, the NMDA subclass of glutamate receptors plays a central role in the induction of several forms of use-dependent plasticity. However, synaptic plasticity can potentially underlie pathological situations, notably in animal and human forms of epilepsy. The enhanced excitability of the kindled dentate gyrus several hours after the last seizure, as well as the breakdown of its gating function, appear to result from transiently enhanced NMDA receptor activation that provides significantly slower EPSC kinetics than those observed in control slices and in slices from kindled animals with a four weeks seizure-free interval. Therefore, NMDA receptors seem to play a critical role in the acute throughput of seizure activity and in the induction of the kindled state but not in the persistence of enhanced seizure susceptibility. The functional involvement of kainate receptors in epileptogenesis gets more and more elucidated. We found that in chronic epileptic rats (kindling-model), activation of presynaptic kainate receptors of inhibitory interneurons depresses spontaneous and stimulus-induced GABA release. The kindling-induced sensitivity of GABA release to kainate receptor activation may produce a use-dependent hyperexcitability in the epileptic dentate gyrus facilitating the spread of limbic seizures through the entorhinal-hippocampal complex in temporal lobe epilepsy. 2. The role of the subiculum in temporal lobe epilepsy The subiculum controls most of the entorhinal-hippocampal output. It receives strong excitatory input from area CA1 and the entorhinal cortex and relays information to a variety of distant cortical and subcortical structures. The subiculum seems to be crucially involved in the generation and propagation of hippocampal seizures. The seizure susceptibility of the subiculum relies (a) on a high fraction of burst-firing principle cells that a capable to undergo synaptic plasticity and (b) on an epilepsy-prone network to generate spontaneous seizures. In both, control and kindled preparations the subiculum contains an extensive sub-population of bursting cells expressing amplifying membrane characteristics. Subicular cells showed a transient depression of the fast and slow afterhyperpolarization in the course of kindling that may contribute to the induction but not permanence of the kindled state. Apart from the excitatory and inhibitory neurotransmission physiological amines like 5-HT and dopamine (DA) may offset the frail balance between excitation and inhibition in the hippocampus. As temporal lobe epilepsy is often associated with diseases that are treated with drugs affecting the 5-HT and DA system, we investigated the effect of these transmitters on intrinsic and synaptic properties of subicular principle cells. The subiculum receives a dense mesencepahalic dopaminergic projection from the ventral tegmental area and expresses high levels of D1- and D2-like DA receptors. Our results indicate that DA strongly suppresses glutamatergic hippocampal and entorhinal neurotransmission onto subicuar neurons by activation of presynaptic D1-like DA receptors. In addition, DA decreases polysynaptic inhibition by attenuating the glutamatergic drive onto subicular interneurons.

Komplexe Berechnungen im Gehirn werden durch das Zusammenspiel von exzitatorischen und hemmenden Neuronen in lokalen Netzwerken ermöglicht. In kortikalen Netzwerken, wird davon ausgegangen, dass hemmende Neurone, besonders Parvalbumin positive Korbzellen, ein „blanket of inhibition” generieren. Dieser Sichtpunkt wurde vor kurzem durch Befunde strukturierter Inhibition infrage gestellt, jedoch ist die Organisation solcher Konnektivität noch unklar. In dieser Dissertation, präsentiere ich die Ergebnisse unserer Studie Parvabumin positiver Korbzellen, in Schichten II / III des entorhinalen Kortexes und Präsubiculums der Ratte. Im entorhinalen Kortex haben wir dorsale und ventrale Korbzellen beschrieben und festgestellt, dass diese morphologisch und physiologisch ähnlich, jedoch in ihrer Konnektivität zu Prinzipalzellen dorsal stärker als ventral verbunden sind. Dieser Unterschied korreliert mit Veränderungen der Gitterzellenphysiologie. Ähnlich zeige ich im Präsubiculum, dass inhibitorische Konnektivität eine essenzielle Rolle im lokalen Netzwerk spielt. Hemmung im Präsubiculum ist deutlich spärlicher ist als im entorhinalen Kortex, was ein unterschiedliches Prinzip der Netzwerkorganisation suggeriert. Um diesen Unterschied zu studieren, haben wir Morphologie und Netzwerkeigenschaften Präsubiculärer Korbzellen analysiert. Prinzipalzellen werden über ein vorherrschendes reziprokes Motif gehemmt die durch die polarisierte Struktur der Korbzellaxone ermöglicht wird. Unsere Netzwerksimulationen zeigen, dass eine polarisierte Inhibition Kopfrichtungs-Tuning verbessert. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass inhibitorische Konnektivität, funktioneller Anforderungen der lokalen Netzwerke zur Folge, unterschiedlich strukturiert sein kann. Letztlich stelle ich die Hypothese auf, dass für lokale inhibitorische Konnektivität eine Abweichung von „blanket of inhibition― zur „maßgeschneiderten― Inhibition zur Lösung spezifischer computationeller Probleme vorteilhaft sein kann. / Local microcircuits in the brain mediate complex computations through the interplay of excitatory and inhibitory neurons. It is generally assumed that fast-spiking parvalbumin basket cells, mediate a non-selective -blanket of inhibition-. This view has been recently challenged by reports structured inhibitory connectivity, but it’s precise organization and relevance remain unresolved. In this thesis, I present the results of our studies examining the properties of fast-spiking parvalbumin basket cells in the superficial medial entorhinal cortex and presubiculum of the rat. Characterizing these interneurons in the dorsal and ventral medial entorhinal cortex, we found basket cells of the two subregions are more likely to be connected to principal cells in the dorsal compared to the ventral region. This difference is correlated with changes in grid physiology. Our findings further indicated that inhibitory connectivity is essential for local computation in the presubiculum. Interestingly though, we found that in this region, local inhibition is lower than in the medial entorhinal cortex, suggesting a different microcircuit organizational principle. To study this difference, we analyzed the properties of fast-spiking basket cells in the presubiculum and found a characteristic spatially organized connectivity principle, facilitated by the polarized axons of the presubicular fast-spiking basket cells. Our network simulations showed that such polarized inhibition can improve head direction tuning of principal cells. Overall, our results show that inhibitory connectivity is differently organized in the medial entorhinal cortex and the presubiculum, likely due to functional requirements of the local microcircuit. As a conclusion to the studies presented in this thesis, I hypothesize that a deviation from the blanket of inhibition, towards a region-specific, tailored inhibition can provide solutions to distinct computational problems.

Die Läsion des entorhinalen Kortex bei adulten Ratten induziert in der deafferenzierten Molekularschicht des Gyrus dentatus eine Gliaaktivierung und -proliferation. Histochemische Doppelfärbungen auf das astrozytenspezifische Antigen Glial fibrillary acidic protein oder den Mikrogliamarker Griffonia simplicifolia isolectin B4 und Bromodeoxyuridin haben gezeigt, daß die Mikrogliazellzahlen in der Molekularschicht des Gyrus dentatus 3 Tage nach Läsion (dpl) ein Maximum erreichten und 30 dpl auf Kontrollwerte zurückgingen. Die Astrozytenzahlen im ipsilateralen Gyrus dentatus erreichten 30 dpl ein Maximum, ihre größte Proliferationsaktivität war 7 dpl zu beobachten. 100 dpl waren die Astrozytenzahlen auf Kontrollwerte zurückgegangen. Die Gliaproliferation war nicht auf die ipsilaterale Molekularschicht beschränkt, sondern trat auch zu einem bestimmten Grad in der Körnerzellschicht und im kontralateralen Gyrus dentatus auf. Somit ruft eine entorhinale Kortexläsion eine rasche Mikrogliareaktion und eine langanhaltende Astrozytenaktivierung in der deafferenzierten Terminationszone des Tractus perforans hervor. Schließlich ist zu erwähnen, daß Gliaproliferation nach entorhinaler Läsion einem komplexen zeitlichen und räumlichen Muster folgt, das bei Prozessen der neuronalen und axonalen Reorganisation auftritt. / Entorhinal cortex lesion of adult rats induces glial activation and proliferation in the deafferented dentate molecular layer. Double-labelling immunocytochemistry for the astrocyte-specific antigen glial fibrillary acidic protein or the microglial cell marker Griffonia simplicifolia isolectin B4 with bromodexyuridine detection revealed that microglia counts and the proliferation rate in the ipsilateral dentate gyrus reached a maximum in the molecular layer at 3 days post-lesion (dpl) and returned to control levels by 30 dpl. Astrocyte counts in the ipsilateral dentate gyrus peaked at 30 dpl, with maximum proliferation at 7 dpl. At 100 dpl the astrocyte count had reverted to control levels. Glial proliferation was not restricted to the ipsilateral molecular layer but also occurred to some degree in the granule cell layer and the contralateral dentate gyrus. Thus entorhinal cortex lesion induces a rapid microglial reaction and long-lasting astrocyte activation in the deafferented termination zone of the perforant path. To conclude, glial proliferation after entorhinal cortex lesion follows a complex temporal and spatial pattern that coincides with processes of neuronal and axonal reorganization.

Un nombre croissant de travaux chez l’animal et chez l’homme suggèrent que les différentes structures composant le lobe temporal interne (LTI) contribuent de manière différentielle à la mémoire déclarative. Chez l’homme, deux réseaux neuraux impliquant le LTI sont décrits : un réseau mésiotemporal antérieur, constitué de structures pour lesquelles les études chez les patients cérébro-lésés indiquent qu’elles contribueraient à la mémoire décontextualisée (mémoire des objets et mémoire sémantique ou mémoire du « quoi ») ; un réseau mésiotemporal postérieur, constitué d’autres structures pour lesquelles ces études suggèrent plutôt une implication dans la mémoire contextualisée (mémoire spatiale, épisodique ou mémoire du «où » et du « quand»). Dans la Maladie d’Alzheimer (MA), les dégénérescences neurofibrillaires, dont la distribution topographique est corrélée à la nature des déficits cognitifs, se développent initialement dans les cortex sous-hippocampiques - transentorhinal et entorhinal - qui sont des composants du réseau mésiotemporal antérieur, avant de s’étendre à l’hippocampe. Les éventuels déficits cognitifs en relation avec l’atteinte de cette région ne sont pas clairement identifiés dans la MA. Les travaux présentés dans ce mémoire sont centrés sur l’étude des cortex sous-hippocampiques avec les méthodes de la neuropsychologie et la neuroimagerie. Ils suggèrent que la MA aux stades les plus précoces pourrait représenter un « modèle » d’étude privilégié des systèmes mnésiques auxquels contribue le LTI. Ces résultats sont en faveur de l’utilité de l’évaluation de la mémoire décontextualisée dans le diagnostic de la MA débutante. / There is increasing evidence from experiments in rodents and non-human primates, as well as from human studies, to suggest that the different structures within the medial temporal lobe (MTL) differentially contribute to declarative memory. In the human brain, two neural networks implicating MTL structures have been described: an anterior MTL network that includes brain areas that contribute to context-free memory (object memory and semantic memory or memory for « what ») and a posterior MTL network that contributes to context-rich memory (spatial memory, episodic memory or memory for “where” and “when”). In Alzheimer’s disease (AD), neurofibrillary tangles (NFT), associated with cognitive signs, initially appear in the sub-hippocampal (transentorhinal and entorhinal) cortex, which are part of the anterior MTL network, before reaching the hippocampus. Potential cognitive deficits related to the dysfunction of this brain area in AD are not clearly identified. In the presented studies, the emphasis is placed on the investigation of sub-hippocampal corteces using a neuropsychological approach and neuroimaging techniques. Our findings suggest that the very earliest stages of AD could represent a “model” leading to a better understanding of memory systems that involve the MTL. They also provide evidence that evaluating context-free memory may be useful in the diagnosis of early AD.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s'intéresse à la nature des représentations spatiales formées par le cortex entorhinal médian (CEM). Tout d'abord, nous montrons que le CEM code spécifiquement une information de distance, l'une des composantes nécessaires pour que l'animal puisse réaliser un type de navigation reposant sur les informations idiothétiques, appelé intégration des trajets. Puis, nous observons que le système vestibulaire, une source importante d'informations idiothétiques, influence l'activité thêta du CEM et permet la modulation de ce rythme thêta par la vitesse de déplacement des animaux. Ensuite, nous montrons que l'activité du CEM est nécessaire à la stabilité de l'activité des cellules de lieu. Parallèlement, nous observons que l'activité des cellules grilles du CEM est modifiée par les informations contenues dans l'environnement (allothétiques).Dans leur ensemble, nos résultats montrent que le CEM traite et intègre des informations idiothétiques mais aussi des informations allothétiques. Ces données suggèrent que la carte spatiale du CEM ne fournit pas une métrique universelle reposant sur les informations idiothétiques, mais possède un certain degré de flexibilité en réponse aux changements environnementaux. De plus, cette carte spatiale entorhinale n'est pas requise pour la formation de l'activité spatiale des cellules de lieu, contrairement à ce que suggère l'hypothèse dominante. / The work conducted during my PhD thesis was aimed at understanding the nature of the spatial representation formed by the the medial entorhinal cortex (MEC). First, we show that the MEC codes specifically distance information which is necessary for a type of navigation based on idiothetic cues, called path integration. Then, we observe that the vestibular system, an important source of idiothetic information in the brain, influences the MEC theta rhythm and its modulation by the animal velocity. In addition, we show that MEC activity is necessary for the stability of place cells activity. Finally, we observe that entorhinal grid cells activity is modified by the information available in the environment (allothetic information).Together, our results show that the MEC processes and integrates idiothetic information as well as allothetic information. These data suggest that the entorhinal map is not a universal metric based on idiothetic information, but is flexible and dependant on the information present in the environment. In addition, the entorhinal map is not required for the generation of place cells activity, contrary to the dominant hypothesis.

The ability to perceive the Earth's magnetic field has been demonstrated in a variety of animals, including representatives of all five classes of vertebrates. The physiological mechanisms underlying magnetic field sensation, however, remain largely unknown. Behavioral, physiological, neuroethological studies and studies using early response genes as neuronal activation markers indicated that a major role in the perception and processing of magnetic information play trigeminal, vestibular and visual systems. Subsequently, magnetic information seem to be integrated with multimodal sensory and motor information within the hippocampal-entorhinal system. In the majority of studies, however, birds have been used as model organisms. In this work I analyzed the neural substrate of magnetic compass orientation in the mouse strain C57BL/6J using markers c-Fos and Egr1. I found that all the aforementioned systems contain neurons responsive to the experimental magnetic fields. This finding demonstrates a complex processing of the magnetic information at level of the central nervous system.

O estresse por isolamento social aplicado em ratos a partir do desmame e mantido durante o desenvolvimento encefálico tem sido utilizado como um modelo experimental de desordens psiquiátricas como a esquizofrenia. Tem sido demonstrado que o isolamento induz alterações morfológicas, comportamentais (como hiperatividade em um novo ambiente) e neuroquímicas semelhantes àquelas que ocorrem em humanos esquizofrênicos. Evidências sugerem que as sinapses glutamatérgicas sejam o sitio primário das anormalidades que ocorrem na esquizofrenia, sendo as alterações dopaminérgicas secundárias às glutamatérgicas. Nesse sentido, alterações nos mecanismos de regulação desta neurotransmissão pelos transportadores de glutamato podem contribuir para o desenvolvimento e/ou manutenção da esquizofrenia. Neste estudo analisamos o padrão de atividade locomotora e a expressão de transportadores de glutamato (EAAC1 e GLT1) no córtex pré-frontal e córtex entorrinal de ratos criados em isolamento a partir do desmame. Ratos Wistar machos (PND21) foram aleatoriamente alocados em 2 grupos (n=11-12): controle (agrupados, 3 animais/caixa) ou isolados (1 animal/caixa) por 10 semanas. Os animais foram testados no campo aberto (arena) durante 20 min. e registrados: números de cruzamentos (exploração horizontal), número de levantamentos (exploração vertical) e tempo despendido, tanto no centro como na periferia da arena. Os grupos foram comparados utilizando ANOVA ou teste t de Student (significante quando p 0.05). Os animais foram anestesiados (uretana-Sigma, 25%, 5ml/kg), perfundidos e os encéfalos retirados, congelados e posteriormente utilizados nos experimentos de imunoistoquímica. Secções (40m) do córtex pré-frontal (CPF) e córtex entorrinal (CE) foram utilizadas para o estudo da expressão de EAAC1 e GLT1. A criação em isolamento induziu hiperatividade, com um aumento no número total de cruzamentos em relação aos animais agrupados (F1,22=0,38; p<0,05), sendo mais consistente na periferia da arena e após 5 minutos de teste (73%, (F1,22=14,08; p<0,001). Em contraste, o isolamento induziu redução no número total de levantamentos (F1,22=0,27; p=0,05), principalmente no centro da arena (58%, F1,22=12,48; p<0,01), nos primeiros 15 minutos de teste e significante no 1° e 3° blocos de tempo (BT1 e BT3). Na periferia o isolamento induziu aumento significante no número de levantamentos em BT2 e BT3. O tempo despendido no centro e na periferia da arena pelos animais criados em isolamento foi, respectivamente, reduzido (54%; F1,22=11,11; p<0,001) e aumentado (65%; F1,22=11,20; p<0,01) quando comparados aos animais agrupados. A expressão de EAAC1 foi significantemente aumentada pelo isolamento no CPF (38%, t= 2,730, p=0,017). Em contraste, nenhuma diferença foi encontrada no CE (t= 1,892; p= 0,081). O isolamento não induziu alteração no número de células imunopositivas para GLT1 no CPF (t=-1,28; p=0,21). Entretanto, marcação fluorescente de GLT1 foi observada associada a células gliais e neuroniais do CPF e CE. Os resultados comportamentais sugerem: i) ratos Wistar criados em isolamento social apresentam hiperatividade em novo ambiente; ii) a hiperatividade locomotora somente é detectável após períodos maiores que cinco minutos de exposição a um novo ambiente; iii) o padrão de exploração apresentado pelos animais demonstra clara preferência pela periferia da arena. Os resultados moleculares fornecem evidências para a participação dos transportadores de glutamato na redução da neurotransmissão glutamatérgica no CPF de ratos criados em isolamento a partir do desmame. / Isolation rearing of rats from weaning has been used as an experimental model of psychiatric disorders like schizophrenia. It has been demonstrated that isolation induces morphological, behavioral (like hyperactivity in a novel environment) and neurochemical changes similar to those reported for humans with schizophrenia. Evidence suggest that glutamatergic synapses might be the site of primary abnormalities in this disorder with the dopaminergic changes being secundary to the glutamatergic ones. In this context, changes on the mechanisms of regulation of the glutamatergic neurotransmission through glutamate transporters may contribute to the development and/or maintenance of schizophrenia. In this study we analyzed the pattern of locomotor activity and the expression of glutamate transporters (EAAC1 and GLT1) in prefrontal cortex and entorhinal cortex of rats reared in social isolation from weaning. Male Wistar rats (PND 21) were randomly allocated in 2 groups (n=11-12): control (grouped, 3 animals/cage) or isolated (1 animal/cage) for 10 weeks. The animals were tested in the open field (arena) for 20min. and recorded: number of crossings (horizontal exploration), number of rearings (vertical exploration) and time spent either at the center or at the periphery of the arena. The groups were compared using ANOVA or Sudents \"t\" test (significance level was set at p 0.05). The animals were anesthetized (urethane-Sigma, 25%, 5ml/kg), perfused and the brains removed, frozen and further used on the experiments of immunohistochemistry. Sections (40m) of the prefrontal córtex (PFC) and entorhinal córtex (EC) were used for studying the expression of EAAC1 and GLT1. Isolation rearing induced hyperactivity, with an increase in the number of crossings related to grouped animals (F1,22=0,38; p<0,05), being more consistent at the periphery of the arena and after 5 minutes of test (F1,22=14,08; p<0,001). In contrast, isolation induced a decrease in the total number of rearings (F1,22=0,27; p=0,05), mainly in the center of the arena (58%, F1,22=12,48; p<0,01), in the first 15 minutes of test and significant on the 1st and 3rd blocks of time (BT1 e BT3). In the periphery isolation induced a significant increase in the number of rearings in BT2 and BT3. The time spent in both center and periphery of the arena by the rats reared in isolation was, respectively, decreased (54%; F1,22=11,11; p<0,01) and increased (65%; F1,22=11,20; p<0,01) when compared to grouped rats. The expression of EAAC1 was significantly increased by isolation in PFC (38%, t = 2,730, p = 0,017). In contrast, no change was found in EC (t = 1,892, p = 0,081). Isolation rearing did not induce alterations in the number of immunopositive cells for GLT1 in PFC (t= -1,28; p = 0,21). However, fluorescent labeling of GLT1 was seen associated to both glial cells and neuronal cells. The behavioral results suggest: i) Wistar rats reared in social isolation present hyperactivity in a novel environment; ii) the hyperactivity is only detectable after periods longer than 5 minutes; iii) the pattern of exploration showed by the animals demonstrate clear preference for the periphery of the arena. The molecular results provide evidence for the involvement of glutamate transporters on the reduction of glutamatergic neurotranmission in PFC of rats reared in isolation from weaning.

The entorhinal cortex (EC) in the medial temporal lobe plays a critical role in memory formation and is implicated in several neurological diseases including temporal lobe epilepsy and Alzheimer’s disease. Despite the known importance of this brain region, little is known about the normal bioelectrical activity patterns of the EC in awake, behaving primates. In order to develop effective therapies for diseases affecting the EC, we must first understand its normal properties. To contribute to our understanding of the EC, I monitored the activity of individual neurons and populations of neurons in the EC of rhesus macaque monkeys during free-viewing of photographs using electrophysiological techniques. The results of these experiments help to explain how primates can form memories of, and navigate through, the visual world. These experiments revealed neurons in the EC that represent visual space with triangular grid receptive fields and other neurons that prefer to fire near image borders. These properties are similar to those previously described in the rodent EC, but here the neuronal responses relate to viewing of remote space as opposed to representing the physical location of the animal. The representation of visual space may be aided by another EC neuron type that was discovered, free-viewing saccade direction cells, neurons that signaled the direction of upcoming saccades. Such a signal could be used by other cells to prepare to fire according to the future gaze location. Many of these spatially-responsive neurons also represented memory for images, suggesting that they may be useful for associating items with their locations. I also examined the neuronal circuitry of recognition memory for visual stimuli in the EC, and I found that population synchronization within the gamma-band (30-140 Hz) in superficial layers of the EC was modulated by stimulus novelty, while the strength of memory formation modulated gamma-band synchronization in the deep layers and in layer III. Furthermore, the strength of connectivity in the gamma-band between different layers was correlated with the strength of memory formation, with deep to superficial power transfer being correlated with stronger memory formation and superficial to deep transfer correlated with weaker memory formation. These findings support several previous investigations of hippocampal-entorhinal connectivity in the rodent and advance our understanding of the functional circuitry of the medial temporal lobe memory system. Finally, I explored the design of a device that could be used to investigate properties of brain tissue in vitro, potentially aiding in the development of treatments for disorders of the EC and other brain structures. We designed, fabricated, and validated a novel device for long-term maintenance of thick brain slices and 3-dimensional dissociated cell cultures on a perforated multi-electrode array. To date, most electrical recordings of thick tissue preparations have been performed by manually inserting electrode arrays. This work demonstrates a simple and effective solution to this problem by building a culture perfusion chamber around a planar perforated multi-electrode array. By making use of interstitial perfusion, the device maintained the thickness of tissue constructs and improved cellular survival as demonstrated by increased firing rates of perfused slices and 3-D cultures, compared to unperfused controls. To the best of our knowledge, this is the first thick tissue culture device to combine forced interstitial perfusion for long-term tissue maintenance and an integrated multi-electrode array for electrical recording and stimulation.