Der primäre somatosensorische Kortex (S1) besteht aus sechs Schichten (L1L6).Die koordinierte Aktivität dieser sechs Schichten kortikaler Neurone ist entscheidend für die sensorische Wahrnehmung und die Steuerung willkürlichen Verhaltens. Es ist jedoch noch wenig über die synaptischen Mechanismen bekannt, die die Verarbeitung zwischen den kortikalen Schichten bei sich aktiv verhaltenden Tieren bestimmen. Ich habe einfache und doppelte in vivoGanzzellableitungen im VorderpfotenAreal von S1 in der Maus gemacht, und gezeigt, dass Pyramidalzellen in L2/3 und L5 während einer Bewegung der Vorderpfote Unterschiede in ihren intrinsischen Eigenschaften und der Dynamik ihrer Membranpotenziale zeigen. Doppelableitungen haben gezeigt, dass sensorisch und motorisch ausgelöste synaptische Eingänge zwischen den Zellschichten weitgehend korreliert waren, niederfrequente unterschwellige Potenzialschwankungen und spontane Aktionspotenziale jedoch einen schichtspezifischen Zeitverlauf zeigten. Auf einer längeren Zeitskala beobachteten wir, dass spontane Bewegungen der Vorderpfote eine Dekorrelation unterschwelliger Aktivität zwischen den Schichten auslösten. Des Weiteren zeigten L5Pyramidalzellen durch ihre Aktivität sensorisch ausgelöste und spontane Bewegungen der Vorderpfote stärker an, als L2/3Neurone. Insgesamt deuten meine Daten darauf hin, dass Unterschiede zwischen den Zellschichten beim Timing von Aktionspotenzialen, bei der unterschwelligen Synchronisierung und bei den mittleren Feuerraten sowohl von der Quelle des zu Grunde liegenden synaptischen Eingangs als auch vom resultierenden Verhalten abhängen. Außerdem konnte ich zeigen, dass Neurone im VorderpfotenAreal von S1 auf leichte Kältereizung der Vorderpfote antworten, und dass diese Antwort vom Ionenkanal transient receptor potential cation channel subfamily M member 8 (TRPM8) in primären sensorischen afferenten Neuronen vermittelt wird. / The primary somatosensory cortex (SI) is composed of six layers (L1L6). The coordination of neural activities across six layers of cortical neurons is essential for reliable sensory perception and the control of voluntary behavior. However, the synaptic neural mechanisms governing translaminar cortical processing in behaving animals are still unknown. I made in vivo single and dual whole cell recordings in mouse forepaw SI, my work revealed that L2/3 and L5 pyramidal neurons have distinct intrinsic properties and membrane potential dynamics during forepaw behavior. Dual recordings showed that sensory and movement evoked synaptic inputs were closely correlated across layers, but low frequency subthreshold fluctuations and spontaneous action potentials exhibited a laminar specific temporal profile. At longer time scales, my data showed that spontaneous forepaw movement evoked a decorrelation of subthreshold activity across layers. Furthermore, L5 pyramidal neurons signaled sensory evoked and spontaneous forepaw movements more strangely than L2/3 neurons. Overall, my work suggests that laminar differences in the timing of action potential firing, subthreshold synchrony and mean firing rates are dependent both on the origin of the underlying synaptic input and the behavioral outcome of the event. In addition, I identified that forepaw SI neurons respond to mild cooling stimulation of the forepaw and that this response is mediated by the Transient receptor potential cation channel subfamily M member 8 (TRPM8) in primary sensory afferent neurons.

In lokalen neokortikalen Netzwerken stellen GABAerge Interneurone die Quelle der Inhibition dar, wobei sie inhibitorische Verbindungen mit benachbarten exzitatorischen und anderen inhibitorischen Neuronen bilden. Man geht davon aus, dass synaptische Transmission in vivo als Folge spontaner Aktionspotentiale während aktiven depolarisierten Erregungszuständen des Netzwerks auftritt. Ziel dieser Studie war es monosynaptische inhibitorische Verbindungen in vivo zu detektieren um den Zusammenhang zwischen der Konnektivität kortikaler Interneurone und deren Spontanaktivität untersuchen zu können. Dafür wurden von zwei bis drei benachbarten GABAergen Interneuronen gleichzeitig gezielte elektrophysiologische Ganz-Zell-Ableitungen unter visueller Kontrolle des Zwei-Photonen-Mikroskops gemacht. Die Ableitungen wurden an Zellen in Schicht 2/3 des primären somatosensorischen Kortex der Vorderpfote von Mäusen durchgeführt, welche mit Urethan narkotisiert waren. Hierbei wurden zwei Mauslinien eingesetzt, um elektrophysiologische Ableitungen von genetisch identifizierten Interneuronen zu erhalten. GAD67-GFP Mäuse wurden genutzt, um Interneurone allgemein und unabhängig von ihrem Subtyp untersuchen zu können. Die Züchtung der dreifach transgenen Linie GIN-VIPcre-Ai9 erlaubte gezielte Ableitungen von SST und VIP Zellen. In beiden Linien konnten monosynaptische inhibitorische Verbindungen zwischen Interneuronen detektiert werden, wobei die Konnektivitätsrate zwischen ''nicht-schnell'' feuernden Interneuronen in GAD67-GFP Mäusen höher war als für SST und VIP Zellen. Die inhibitorische synaptische Transmission wurde jeweils stark vom aktuellen Erregungszustand des Kortex moduliert wobei ein Anstieg der IPSP-Amplitude während depolarisierter Zustände des Netzwerks festgestellt wurde. Es konnten subtyp-spezifische Korrelationen in der Aktivität neokortikaler Interneurone beobachtet werden, welche sich im unterschwelligen Membranpotential und auch der spontanen Feuerrate der Zellen zeigte. / GABAergic interneurons provide the source of inhibition in local neocortical networks, where they form inhibitory connections with nearby excitatory and other inhibitory neurons. In cortical circuits in vivo synaptic transmission is thought to emerge during depolarized active network states, when spontaneous spiking can occur. The aim of this study was to identify monosynaptic inhibitory connections in vivo in order to relate interneuron connectivity to their spontaneous activity. Therefore simultaneous two-photon targeted whole-cell recordings were made from two to three neighboring layer 2/3 GABAergic interneurons in the forepaw primary somatosensory cortex of urethane anesthetized mice. Two different mouse strains were used to record from genetically identified interneurons: in GAD67-GFP animals interneurons could be examined regardless to their subtype. Breeding of the triple transgenic mouse line GIN-VIPcre-Ai9 allowed to specifically target SST and VIP cells. Monosynaptic inhibitory connections could be identified in both mouse lines, with higher connectivity rates of non-fast spiking interneurons recorded in GAD67-GFP animals than for SST and VIP cells. Overall, the ongoing state of the cortex powerfully modulated inhibitory synaptic transmission, with IPSPs increasing in amplitude in depolarized network states. Subtype-specific correlations in the activity of neocortical interneurons could be observed and were reflected in the subthreshold and also spontaneous firing activity of cells.

Der Hippokampus spielt eine wichtige Rolle bei der Erfassung, Festigung und dem Wiederabrufen von Gedächtnisinhalten. Diese Prozesse werden von Oszillationen begleitet, die synchronisierte neuronale Aktivität wiederspiegeln. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ‘ripples’, eine schnell schwingende Netzwerkaktivität, die an der Festigung von Gedächtnisinhalten beteiligt ist. Das Subikulum ist eine der Hauptausgangsstationen des Hippokampus und überträgt Informationen zu Zielregionen außerhalb dieser Region. Um dies besser zu verstehen, habe ich hier die Eigenschaften von subikulären Pyramidenzellen und deren Regulierung während ripples untersucht. Es zeigte sich, dass eine Untergruppe von Zellen, burst (in Salven) feuernde Zellen, ihre Aktivität erhöht, während eine zweite Untergruppe, regulär feuerende Zellen, ihre Aktivitaet während ripples vermindert. Ferner ist bei regulär feuernden Zellen das Verhältnis zwischen Inhibition und Exzitation höher als bei burst feuernden Zellen. Zusammen mit Erkenntnissen aus früheren Studien lassen diese Ergebnisse vermuten, dass Information während ripples hauptsächlich zu Zielregionen der burst feuernden Zellen geleitet wird. Neben Pyramidenzellen beherbergt der Hippokampus auch eine Vielzahl verschiedener Interneurone. Im zweiten Teil dieser Arbeit habe ich O-LM Interneurone der hippokampalen Region CA1 untersucht. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle von Eingängen aus dem entorhinalen Kortex. Wir konnten zeigen, dass die exzitatorische Übertragung auf O-LM Interneurone durch Serotonin, einem von den Raphe-Kernen ausgeschütteten Neuromodulator, vermindert wird. Dies geschieht durch einen präsynaptischen Mechanismus, der wahrscheinlich eine Verminderung des Kalziumeinstroms in präsynaptische Endigungen umfasst. Eine Verminderung der Aktivität von O-LM Interneuronen durch Serotonin könnte die synaptische Übertragung von Signalen aus dem entorhinalen Kortex auf CA1 Pyramidenzelldendriten erleichtern. / The hippocampus plays an important role in the acquisition, consolidation and retrieval of memory. These processes are accompanied by hippocampal oscillations, which reflect synchronized neuronal activity. The first part of this thesis focuses on ripples, a fast oscillatory activity which is involved in memory consolidation. The subiculum as one of the main output areas of the hippocampus is ideally suited to mediate information transfer to extrahippocampal targets. Here I investigated the properties of subicular pyramidal cells and their modulation during ripples. I found that a subset of subicular pyramidal cells increases its firing rate during ripples whereas another subset decreases its firing rate. Furthermore I was able to identify a correlate between modulation and cell subtype: burst firing cells increased their firing rate, and regular firing cells decreased their firing rate. We could further show that regular firing cells receive a higher ratio of inhibition to excitation as compared to burst firing cells. Together with earlier work, these results suggest that information transferred during ripples is likely to be routed preferentially to target regions of the burst firing subtype. Besides pyramidal cells, the hippocampus hosts a variety of interneuron types. The second part of this thesis focuses on GABAergic O-LM interneurons of hippocampal area CA1, which play an important role in controlling input from the entorhinal cortex. We could show that excitatory transmission from local pyramidal cells onto O-LM interneurons is decreased by serotonin, a neuromodulator released from the midbrain raphe nuclei. This modulation is mediated by a presynaptic mechanism and is likely to involve a decrease in calcium influx into presynaptic terminals. We conclude that serotonin, by decreasing O-LM output, might release fibers from entorhinal cortex impinging onto CA1 pyramidal cell dendrites from inhibition.