Both neuroinflammation, and an increase in microglial cells, have been associated with Autism Spectrum Disorder (ASD) through observation in human subjects as well as in mouse models. A mother having an infection early in pregnancy increases the chances for autism in her child. (Atladottir et al., 2012). This process is known as Maternal Immune Activation (MIA), and the proposed mechanism is that inflammatory signals cross from the mother to child; then in response to increased pro-inflammatory cytokines, microglia within the brain are activated to combat the infection. Microglia are essential to healthy synaptogenesis and neuronal growth, and a change in their signaling early in development has been shown to alter behavior in mouse models that replicate MIA. We use microglial depletion as a therapy to counteract the potentially harmful pro-inflammatory response in the developing mouse brain. Four experimental groups - control, MIA, microglial depleted, and a therapy group (MIA plus microglial depletion)- were run through a comprehensive series of behavioral and electrophysiological assessments. Layer 5 pyramidal cells (L5PNs) were targeted for recording in medial frontal cortex – a mouse cortical area important for cognition and social behavior. L5PNs are a heterogeneous population with cortical and subcortical targeting. Subcortical targeting neurons are thick tufted morphologically, and have an intrinsically bursting spike pattern. Analysis of the intrinsically bursting neurons revealed significant differences between the maternal inflammation and the microglial depletion groups across multiple physiological properties. Therefore, the therapy group had electrophysiological characteristics more consistent with the microglial depleted model than the autism model.

Schaltkreise der Großhirnrinde von Säugetieren bestehen aus unterschiedlichen Zellarten, deren charakteristische Physiologie, Morphologie und Konnektivität die Verarbeitung eintreffender neuronaler Signale bestimmen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die zelluläre Spezialisierung zweier kortikaler Schaltkreise untersucht: einerseits die der Eingangsschicht oder Schicht 4 (Kapitel 2 bis 4) und andererseits die der Ausgangsschicht oder Schicht 5 (Kapitel 5). Der erste Teil der Dissertation umfasst drei Publikationen, welche die Verarbeitung von genitalen Berührungen in der kortikalen Schicht 4 von Nagern als Forschungsgegenstand haben. Die Arbeiten konzentrieren sich auf strukturelle Veränderungen während der Pubertät, da sich die Bedeutung genitaler Berührungen in dieser Zeit stark verändert. Die Erforschung des „Barrel Cortex“ führte zu der Erkenntnis, dass der somatosensorische Kortex eine topographische Repräsentation der Körperoberfläche enthält. Diese wird kurz nach der Geburt gebildet und weist danach kaum Veränderungen auf. Erstaunlicherweise vergrößert sich während der Pubertät der Bereich dieser Körperkarte, der genitale Berührungen verarbeitet. Dieser Prozess kann durch frühe sexuelle Berührungen beschleunigt werden. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde die kortikale Ausgangsstruktur untersucht. Diese ist von verschiedenen Projektionsneuronen besiedelt. Angesichts der drastischen Größenunterschiede dieser Projektionsneurone haben wir deren Genomgröße untersucht. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass einige außerordentlich große Projektionsneurone zusätzliche Kopien ihres gesamten Chromosomensatzes enthalten. Insgesamt wurden in dieser Dissertation zwei neue Formen zellulärer Spezialisierung in der Hirnrinde aufgezeigt: (i) Schicht 4 weist zelltypspezifische entwicklungs- und erfahrungsabhängige Veränderungen im Genitalfeld auf. (ii) Schicht 5 enthält Projektionsneurone, deren erstaunliche Zellgröße auf ein polyploides Genom zurückzuführen ist. / Functionally specialized circuits in the mammalian neocortex contain different neuronal cell-types, which process information depending on their physiology, morphology and synaptic connectivity. This doctoral thesis explores two functionally distinct cortical circuits, namely its input (Chapters 2 to 4) and output (Chapter 5) structures, layer 4 and layer 5 respectively. The first part of the thesis comprises three studies that examine the processing of genital touch in the cortical input layer, layer 4. We investigated how layer 4 and its inputs are structurally refined during puberty, a time when genital touch gains biological relevance. Earlier work from layer 4 of barrel cortex suggested that somatosensory cortex contains a topographic representation of the body surface. We find that the part of this body map that processes genital touch expands significantly during puberty and that this expansion could be advanced by the early experience of sexual touch. Our data further suggests that this expansion is not due to differences in the peripheral innervation of genitals. Finally, chronic imaging of excitatory neurons within layer 4 revealed cell-type specific functional and structural changes within genital cortex during puberty. The second part of this thesis focuses on the cellular specialization of the cortical output layer, layer 5, which contains different types of excitatory projection neurons. We investigated genomic differences as novel mechanism underlying projection neuron diversity. Our data suggests that some exceptionally large projection neurons may contain an increased DNA content, a phenomenon also referred to as polyploidy. Overall, this thesis highlights two novel instances of cellular specialization in the cortex: (i) Within the cortical input layer, we observed development and experience driven changes in the area which processes genital touch. (ii) Within the cortical output layer, we identified putatively polyploid projection neurons.

Das deklarative Gedächtnis beruht auf Wechselwirkungen zwischen dem medialen Temporallappens (MTL) und Neokortex. Aufgrund der verteilten Natur neokortikaler Netzwerke bleiben zelluläre Ziele und Mechanismen der Gedächtnisbildung im Neokortex jedoch schwer fassbar. Im sechsschichtigen Säugetier-Neokortex konvergieren die Top-Down-Inputs auf Schicht 1 (L1). Wir untersuchten, wie Top-Down-Inputs von MTL die neokortikale Aktivität während der Gedächtnisbildung modulieren. Wir haben zunächst ein Kortex- und Hippocampus-abhängiges Lernparadigma angepasst, in dem Tiere gelernt haben, direkte kortikale Mikrostimulation und Belohnung zu assoziieren. Neuronen in den tiefen Schichten des perirhinalen Kortex lieferten monosynaptische Eingaben in L1 des primären somatosensorischen Kortex (S1), wo die Mikrostimulation vorgestellt wurde. Die chemogenetische Unterdrückung der perirhinalen Inputs in L1 von S1 störte die Gedächtnisbildung, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Leistung der Tiere nach abgeschlossenem Lernen. Dem Lernen folgte das Auftreten einer klaren Subpopulation von Pyramidenneuronen der Schicht 5 (L5), die durch hochfrequentes Burst-Feuern gekennzeichnet war und durch Blockieren der perirhinalen Inputs zu L1 reduziert werden konnte. Interessanterweise zeigte ein ähnlicher Anteil an apikalen Dendriten von L5-Pyramidenneuronen ebenfalls eine signifikant erhöhte Ca2+-Aktivität während des Gedächtnisabrufs bei Expertentieren. Wichtig ist, dass die Störung der dendritischen Ca2+-Aktivität das Lernen beeinträchtigte, was darauf hindeutet, dass apikale Dendriten von L5-Pyramidenneuronen eine entscheidende Rolle bei der Bildung des neokortikalen Gedächtnisses spielen. Wir schließen daraus, dass MTL-Eingaben das Lernen über einen perirhinalen vermittelten Gating-Prozess in L1 steuern, der sich in einer erhöhten dendritischen Ca2+-Aktivität und einem Burst-Firing in pyramidalen L5-Neuronen manifestiert. / Declarative memory relies on interactions between the medial temporal lobe (MTL) and neocortex. However, due the distributed nature of neocortical networks, cellular targets and mechanisms of memory formation in the neocortex remain elusive. In the six-layered mammalian neocortex, top-down inputs converge on its outermost layer, layer 1 (L1). We examined how layer-specific top-down inputs from MTL modulate neocortical activity during memory formation. We first adapted a cortical- and hippocampal-dependent learning paradigm, in which animals learned to associate direct cortical microstimulation and reward, and characterized the learning behavior of rats and mice. We next showed that neurons in the deep layers of the perirhinal cortex not only provide monosynaptic inputs to L1 of the primary somatosensory cortex (S1), where microstimulation was presented, but also actively reflect the behavioral outcome. Chemogenetic suppression of perirhinal inputs to L1 of S1 disrupted early memory formation but did not affect animals’ performance after learning. The learning was followed by an emergence of a distinct subpopulation of layer 5 (L5) pyramidal neurons characterized by high-frequency burst firing, which could be reduced by blocking perirhinal inputs to L1. Interestingly, a similar proportion of apical dendrites (~10%) of L5 pyramidal neurons also displayed significantly enhanced calcium (Ca2+) activity during memory retrieval in expert animals. Importantly, disrupting dendritic Ca2+ activity impaired learning, suggesting that apical dendrites of L5 pyramidal neurons have a critical role in neocortical memory formation. Taken together, these results suggest that MTL inputs control learning via a perirhinal-mediated gating process in L1, manifested by elevated dendritic Ca2+ activity and burst firing in L5 pyramidal neurons. The present study provides insights into cellular mechanisms of learning and memory representations in the neocortex.