Schicht 2 des mediale entorhinale Kortex (MEK) beinhaltet die größte Anzahl von Gitterzellen, welche durch ein hexagonales Aktivitätsmuster während räumlicher Exploration gekennzeichnet sind. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass spezielle Pyramidenzellen, die das Protein Calbindin exprimieren, in einem hexagonalen Gitter im Gehirn der Ratte angeordnet sind und cholinerg innerviert werden. Es ist bekannt, dass die cholinerge Innervation wichtig für die Aktivität von Gitterzellen ist. Weiterhin ergaben neuronale Ableitungen und Methoden zur Identifikaktion einzelner Neurone in frei verhaltenden Ratten, dass Calbindin-positive Pyramidenzellen (Calbindin+) eine große Anzahl von Gitterzellen beinhalten. Reelin-positive Sternzellen (Reelin+) im MEK, zeigten keine anatomische Periodizität und ihre Aktivität orientierte sich an den Begrenzungen der Umgebung. Eine weitere Studie untersucht die Architektur des MEK in verschiedenen Säugetieren, die von der Etrusker Spitzmaus, bis hin zum Menschen ~100 Millionen Jahre evolutionäre Vielfalt und ~20,000 fache Variation der Gehirngröße umfassen. Alle Arten zeigten jeweils eine periodische Anhäufung der Calbindin+ Zellen, was deren evolutive Bedeutung unterstreicht. Eine Studie zur Ontogenese der Calbindin Anhäufungen ergab, dass die periodische Struktur der Calbindin+ Zellen, sowie die verstreute Anordnung der Reelin+ Sternzellen schon zum Zeitpunkt der Geburt erkennbar war. Weitere Ergebnisse zeigen, dass Calbindin+ Zellen strukturell später ausreifen als Reelin+ Sternzellen - passend zu der Erkenntnis, dass Gitterzellen funktionell später reifen als Grenzzellen. Eine Untersuchung des Parasubiculums ergab, dass Verbindungen zum MEK präferiert in die Calbindin Anhäufungen in Schicht 2 projizieren. Zusammenfassend beschreibt diese Doktorarbeit eine Dichotomie von Struktur und Funktion in Schicht 2 des MEK, welche fundamental für das Verständnis von Gedächtnisbildung und deren zugrundeliegenden Mikroschaltkreisen ist. / The medial entorhinal cortex (MEC) is an important hub in the memory circuit in the brain. This thesis comprises of a group of studies which explores the architecture and microcircuits of the MEC. Layer 2 of MEC is home to grid cells, neurons which exhibit a hexagonal firing pattern during exploration of an open environment. The first study found that a group of pyramidal cells in layer 2 of the MEC, expressing the protein calbindin, were clustered in the rat brain. These patches were physically arranged in a hexagonal grid in the MEC and received preferential cholinergic-inputs which are known to be important for grid-cell activity. A combination of identified single-cell and extracellular recordings in freely behaving rats revealed that grid cells were mostly calbindin-positive pyramidal cells. Reelin-positive stellate cells in MEC were scattered throughout layer 2 and contributed mainly to the border cell population– neurons which fire at the borders of an environment. The next study explored the architecture of the MEC across evolution. Five mammalian species, spanning ~100 million years of evolutionary diversity and ~20,000 fold variation in brain size exhibited a conserved periodic layout of calbindin-patches in the MEC, underscoring their importance. An investigation of the ontogeny of the MEC in rats revealed that the periodic structure of the calbindin-patches and scattered layout of reelin-positive stellate cells was present around birth. Further, calbindin-positive pyramidal cells matured later in comparison to reelin-positive stellate cells mirroring the difference in functional maturation profiles of grid and border cells respectively. Inputs from the parasubiculum, selectively targeted calbindin-patches in the MEC indicating its role in shaping grid-cell function. In summary, the thesis uncovered a structure-function dichotomy of neurons in layer 2 of the MEC which is a fundamental aspect of understanding the microcircuits involved in memory formation.

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.