Es ist noch weitgehend ungeklärt, mittels welcher Mechanismen die elektrische Aktivität von Nervenzellpopulationen des Gehirns Verhalten ermöglicht. Die Orientierung im Raum ist eine Fähigkeit des Gehirns, für die im Säugetier der mediale entorhinale Teil der Großhirnrinde als entscheidende Struktur identifiziert wurde. Hier wurden Nervenzellen gefunden, die die Umgebung des Individuums in einer gitterartigen Anordnung repräsentieren. Die neuronalen Schaltkreise, welche diese geordnete Nervenzellaktivität im medialen entorhinalen Kortex (MEK) ermöglichen, sind noch wenig verstanden. Die vorliegende Dissertation hat eine Klärung der zellulären Architektur und der neuronalen Schaltkreise in der zweiten Schicht des MEK der Ratte zum Ziel. Zunächst werden die Beiträge zur Entdeckung der hexagonal angeordneten zellulären Anhäufungen in Schicht 2 des MEK sowie zur Beschreibung der Dichotomie der Haupt-Nervenzelltypen dargestellt. Im zweiten Teil wird erstmalig eine konnektomische Analyse des MEK beschrieben. Die detaillierte Untersuchung der Architektur einzelner exzitatorischer Axone ergab das überraschende Ergebnis der präzisen Sortierung von Synapsen entlang axonaler Pfade. Die neuronalen Schaltkreise, in denen diese Neurone eingebettet sind, zeigten eine starke zeitliche Bevorzugung der hemmenden Neurone. Die hier erhobenen Daten tragen zu einem detaillierteren Verständnis der neuronalen Schaltkreise im MEK bei. Sie enthalten die erste Beschreibung überraschend präziser axonaler synaptischer Ordnung im zerebralen Kortex der Säugetiere. Diese Schaltkreisarchitektur lässt einen Effekt auf die Weiterleitung synchroner elektrischer Populationsaktivität im MEK vermuten. In zukünftigen Studien muss insbesondere geklärt werden, ob es sich bei den hier berichteten Ergebnissen um eine Besonderheit des MEK oder ein generelles Verschaltungsprinzip der Hirnrinde des Säugetiers handelt. / The mechanisms by which the electrical activity of ensembles of neurons in the brain give rise to an individual’s behavior are still largely unknown. Navigation in space is one important capacity of the brain, for which the medial entorhinal cortex (MEC) is a pivotal structure in mammals. At the cellular level, neurons that represent the surrounding space in a grid-like fashion have been identified in MEC. These so-called grid cells are located predominantly in layer 2 (L2) of MEC. The detailed neuronal circuits underlying this unique activity pattern are still poorly understood. This thesis comprises studies contributing to a mechanistic description of the synaptic architecture in rat MEC L2. First, this thesis describes the discovery of hexagonally arranged cell clusters and anatomical data on the dichotomy of the two principle cell types in L2 of the MEC. Then, the first connectomic study of the MEC is reported. An analysis of the axonal architecture of excitatory neurons revealed synaptic positional sorting along axons, integrated into precise microcircuits. These microcircuits were found to involve interneurons with a surprising degree of axonal specialization for effective and fast inhibition. Together, these results contribute to a detailed understanding of the circuitry in MEC. They provide the first description of highly precise synaptic arrangements along axons in the cerebral cortex of mammals. The functional implications of these anatomical features were explored using numerical simulations, suggesting effects on the propagation of synchronous activity in L2 of the MEC. These findings motivate future investigations to clarify the contribution of precise synaptic architecture to computations underlying spatial navigation. Further studies are required to understand whether the reported synaptic specializations are specific for the MEC or represent a general wiring principle in the mammalian cortex.

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.