Authors:	Prouvot, Pierre-Hugues
Advisor:	Heine, Martin
Title:	Developing a multiscale optical interrogation of interneuron dynamics in the rodent sensory cortex
Online publication date:	13-Nov-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Die sensorische Verarbeitung im Kortex hängt von den Feinheiten der säulenförmigen Mikroarchitektur sowie dem lokalen Erregungs-Hemmungs-Gleichgewicht ab, das selbst durch den globalen Erregungszustand des Gehirns beeinflusst wird. Schnell feuernde korticale Interneurone, die Parvalbumin exprimieren, besitzen eine zentrale Position in diesem Informationsverarbeitungsnetzwerk. Hier haben wir optische und elektrophysiologische Aufnahmetechniken etabliert und kombiniert eingesetzt, um den globalen Erregungszustand mit sehr lokalen sensorischen Reaktionen im Barrelkortex zu vergleichen. Diese Methoden setzten wir als Grundsteine von eine minimal invasive optik-exklusive Physiologie ein. In einer ersten Phase haben wir eine optische alziumaufzeichnung in Kombination mit lokalen Feldpotentialaufzeichnungen (LFP) verwendet, um sensorische Aktivierung zwischen optogenetischer und sensorischer Stimulation unter verschiedenen Anästhesiebedingungen zu vergleichen. Wir fanden heraus, dass die Kalziumfaserphotometrie ein zuverlässiger Proxy für die elektrische Aktivität ist und dass die panneuronale optogenetische Stimulation zu einer kortikalen Aktivierung führt, die mit der peripheren Stimulation vergleichbar ist. Wir haben gezeigt, dass in Übereinstimmung mit früheren Daten im visuellen Kortex der primäre sensorische Kortex der Vorderpfote unter tiefer (1,5 %) Isofluran- oder unter MedetomidinAnästhesie unterschiedlich reagiert. Unter hoher Isoflurananästhesie beobachteten wir langsame Wellen, während unter Medetomidin individuelle Reaktionen auf sich wiederholende Reize sichtbar waren. Anschließend untersuchten wir die Rolle von Parvalbumin- Interneuronen bei der sensorischen Verarbeitung im Barrelkortex unter Verwendung einer Kombination aus invivoMehrelektrodenaufzeichnungen und Optogenetik. Wir fanden heraus, dass die Hemmung von PV-Interneuronen nach sensorischer Stimulation die neuronale Reaktion maximal verstärkt, wenn sie mit den ersten 20ms nach der Stimulation einhergeht. Die Steigerung der PV-Aktivität führte zu gegenteiligen rgebnissen, indem die sensorisch evozierte neuronale Aktivität reduziert wurde. Die optogenetische Modulation von PV-Neuronen induzierte eine Änderung der Multi-Unit-Aktivität, aber nicht im LFP von benachbarten barreln. Das Hauptbarrel wurde ebenfalls nicht signifikant durch optogenetische Stimulation beeinflusst. Jedoch zeigte sich eine unerwartet starke seitliche Hemmung, die durch PV-Interneuronen erzeugt wird. Wir Entwickelten und setzten ein Modell der Menge Neuronen bei Optogenetik effizient betroffen ein. Dieses Modell setzten wir dann im Barrel Kortex und Riechkolben mit befriedigenden Ergebnissen ein. Wir verwendeten daraufhin Intrinsic Optical Imaging, um zunächst die Position einzelner Barrel zu identifizieren. Wir stellten fest, dass in einem PRG-1 KO Mausmodell die Barrelgröße significant verringert ist. Dann verwandten wir dieselbe Technik und erreichten ein Proof-of-Principle-Single-Barrel-Targeting mit Opsinen. Wir etablierten dann eine allgemeine Methode für die Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung im Barrelkortex von anästhesierten Mäusen. Dazu haben wir ein Protokoll zur Identifizierung einzelner Barrel mithilfe der Epifluoreszenz-Bildgebung von Gcamp-Fluoreszenzänderungen erstellt. Nachdem es uns allerdings nicht gelungen war, die ensorisch evozierte Aktivität zuverlässig in anästhesierten Tieren aufzuzeichnen, haben wir ein vollständiges Protokoll für die Aufzeichnung der sensorisch evozierten Aktivität bei wachen, kopffixierten Mäusen auf einem luftgepolsterten Styroporball erstellt. Schließlich haben wir Aufzeichnungen der durch Schnurrhaare hervorgerufenen Aktivität bei wachen verhaltenden Mäusen erstellt, was generell die Möglichkeit transversaler Aufzeichnungen eröffnet. Sensory processing in the cortex is dependent on the intricacies of the columnar microarchitecture as well as the local excitatory-inhibitory balance itself influenced by the global arousal state of the brain. Fast spiking cortical interneurons expressing Parvalbumin occupy a central position in this information processing. We established and employed optogenetics, calcium imaging and electrophysiogical recording techniques to link the global arousal state with very local sensory responses in the barrel cortex. This with the secondary objective of setting the groundwork for minimally invasive all optical physiology. We then used these techniques to more precisely focus on the impact of Parvalbumin interneurons on sensory processing in the barrel cortex. In a first phase we employed optical calcium record in combination with Local Field Potential recordings to compare sensory responses between optogenetic and sensory stimulation in different conditions of anesthesia. We found that calcium fiber photometry is a Reliable proxy for electrical activity and that panneuronal optogenetic stimulation results in cortical activation comparable to peripheric stimulation. We showed that consistent with previous data in the visual cortex the primary sensory cortex of the forepaw responds differently under deep (1.5%) isoflurane or under medetomidine anesthesia. Presenting all or none slow waves in the former and individual response to repetitive stimuli in the latter. We then investigated the role of Parvalbumin interneurons in sensory processing in the barrel cortex using a combination of in vivo multi electrode recordings and optogenetics. We established specific expression of Archaeorhodopsin and Channelrhodopsin 2 in PV interneurons. We found that inhibition of PV interneurons upon sensory stimulation enhances the neuronal response maximally when concomitant with the first 20ms post stimulation. Enhancing PV activity yielded the opposite results by reducing sensory evoked neuronal activity. Prolonging the inhibition yielded a secondary rebound response peaking around 40ms post stimuli. Optogenetic modulation of PV neurons induced a change in multi-unit activity but not LFP in neighboring barrels while not significantly affecting the principal barrel. This indicated an unexpectedly strong lateral inhibition produced by PV interneurons. We developed a model to estimate the number of neurons efficiently modulated by optogenetics and applied it in the barrel cortex and the olfactory bulb with satisfactory results. We used Intrinsic Optical Imaging to identify individual barrel position first to measure their changes in a PRG-1 KO mouse model and found a significant reduction in barrel size. Then we used the same technique to significantly improve the precision of targeting of virus injections. We achieved a proof of principle single barrel targeting of opsins. We then established a general method for two-photon calcium imaging in the barrel cortex of anesthetized mice. Having failed to record sensory evoked activity reliably we established a complete protocol for recordings of sensory evoked activity in awake headfixed animals on an air-cushioned spherical treadmill. We established a protocol for identification of individual barrel using epifluorescence imaging of Gcamp fluorescence changes allowing us to achieve recording and stimulation in specifically targeted barrels. Finally, we established recordings of whisker evoked activity in awake behaving mice opening the possibility of transversal recordings and potentially awake all optical physiology
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9647
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-11311583-b0f9-40b6-90b7-7a4b0336bb177
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	254 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen