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Berger, Christina (2017): Influence of development, tonotopy and hearing disorders on the biophysical properties of auditory brainstem neurons. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

Die korrekte Entwicklung und Funktion des auditorischen Systems erfordert ein komplexes Zusammenspiel aus genetisch vorgegebenen Programmen, spontaner neuronaler Aktivität und sensorischem Input. Die grundlegenden Verbindungen zwischen den Nuclei des auditorischen Hirnstamms entwickeln sich frühzeitig während der Embryonalentwicklung. Die bereits in Cochlea etablierte tonotopische Organisation, also die räumlich geordnete Repräsentation von Frequenzen, wird dabei auf vielen Stufen des zentralen auditorischen Systems beibehalten. Die weitere Entwicklung geht einher mit der Verfeinerung bestehender Projektionen und einer Reifung der zellulären und synaptischen Eigenschaften. Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Aspekten der Entwicklung und Funktion des binauralen auditorischen Systems in Hinblick auf Spezies-spezifische Unterschiede, den Einfluss von Tonotopie auf zelluläre und synaptische Eigenschaften und die Auswirkungen von zwei mit Taubheit assoziierten Mutationen. In einem ersten Projekt wurde die frühe postnatale Entwicklung der inhibitorischen Projektion vom medialen Nucleus des Trapezkörpers (MNTB) zur lateralen superioren Olive (LSO) betrachtet. Die LSO ist ein tonotopisch organisierter Nucleus, dessen Hauptaufgabe in der Lokalisation einer Schallquelle anhand von Lautstärkenunterschieden an beiden Ohren besteht, was die präzise räumliche und zeitliche Konvergenz des binauralen Inputs erfordert. Während der Entwicklung durchläuft die inhibitorische Projektion einen Wechsel des vorherrschenden Transmittertyps von GABA zu Glycin, der in dieser Arbeit komparativ in Mäusen und Gerbils durch die Analyse von Miniatur- und evozierten postsynaptischen Strömen (IPSCs) untersucht wurde. In beiden Tieren zeigte sich eine entwicklungsabhänge beschleunigte Kinetik und eine Zunahme in Frequenz und Amplitude der Minis, allerdings fanden sich keine Hinweise auf die simultane Freisetzung beider Transmitter. Mögliche Erklärungen für die GABAerge Komponente, die sich in den evozierten IPSCs zeigte, beinhalten Spillover und die Existenz einer zusätzlichen Quelle inhibitorischen Inputs außerhalb des MNTB. Das zweite Projekt befasste sich mit der Frage, inwieweit sich die tonotopische Organisation der LSO adulter Mäuse in Anpassungen auf zellulärer und synaptischer Ebene widerspiegelt. Die Studie zeigte die Existenz zweier verschiedener Populationen von Neuronen, die sich vor allem durch ihr Feuerverhalten und ihren Eingangswiederstand unterschieden. Neuronen, die durch ein Onset-Aktionspotential charakterisiert waren, wiesen einen mediolateralen Gradienten bezüglich ihres Eingangswiderstands auf. Die Analyse der postsynaptischen Ströme lieferte keine klaren Anhaltspunkte für Tonotopie-spezifische Anpassungen. In einer dritten Studie wurden die Auswirkungen zweier Mutationen untersucht, die auch im Menschen mit Taubheit assoziiert sind. Diminuendo stellt die erste bekannte Mutation einer microRNA dar, die mit Taubheit in Verbindung steht. MicroRNA-96 reguliert die Expression zahlreicher in die Entwicklung des Innenohrs involvierter Gene und Mutationen gehen mit schweren Defekten des peripheren auditorischen Systems einher, aber ihre Auswirkungen auf das zentrale auditorischen System wurden bisher nicht erforscht. Diese Arbeit untersucht die Konsequenzen der Mutation für die Entwicklung einer großen auditorischen Synapse, der Held´schen Calyx und ihrer postsynaptischen Partner im MNTB. Dazu wurde die Diminuendo-Maus mit einer anderen Mutante, der Claudin-14-knockout-Maus verglichen, in der die Mutation ausschließlich das periphere auditorische System betrifft. Der Vergleich beider Mäuse ermöglicht die Trennung zwischen peripheren und zentralen Defekten. Die Studie konnte zeigen, dass weder Taubheit im Allgemeinen noch die Mutation von miR-96 signifikante Auswirkungen auf die passiven Membraneigenschaften haben, allerdings wiesen Diminuendo-Mäuse einen höheren Anteil an Neuronen mit unreifem Feuerverhalten auf. Morphologisch waren die präsynaptischen Donut-artigen Strukturen, die charakteristisch für die adulte Calyx sind, weniger ausgeprägt. Funktionell zeigten diese Synapsen eine stärkere Depression der postsynaptischen Ströme, was auf eine schnellere Erschöpfung des Vesikel-Pools hindeutet. Auch die AMPA- und NMDA-Rezeptor vermittelten Ströme wiesen unreife Charakteristika auf. Insgesamt kann man also feststellen, dass die Mutation von miR-96, ähnlich wie im peripheren auditorischen System, verschiedene Aspekte der prä- und postsynaptischen Entwicklung im MNTB zu verzögern oder aufzuhalten scheint, während Taubheit im Allgemeinen nur einen kleinen Effekt auf dessen Entwicklung zeigt.

Abstract

The development and function of the auditory system requires a complex interplay of genetically encoded programs, spontaneous activity and sensory experience. The basic projection patterns between auditory brainstem nuclei develop during fetal life. The topographic representation of frequencies established in the cochlea, the so-called tonotopy, is present at almost all stages of the auditory system. The development of auditory brainstem circuits involves a refinement of these projections and a maturation of cellular and synaptic properties. This work studies different aspects of development and function of the binaural auditory system with respect to species-specific differences, the influence of tonotopy on certain cellular and synaptic properties and the consequences of two deafness-related mutations. The first project examines the early postnatal development of the inhibitory projection from the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB) to the lateral superior olive (LSO), a tonotopically arranged nucleus involved in binaural sound localization. The detection of small differences in sound intensity between the two ears requires a temporally and spatially precise convergence of the binaural excitatory and inhibitory inputs. During development, the inhibitory projection undergoes a shift from predominantly GABAergic to glycinergic transmission. In this project, this switch in transmitter type was comparatively studied in pre-hearing mice and gerbils by analyzing miniature and evoked inhibitory postsynaptic currents (IPSCs). In both animals, an increase in miniature IPSC amplitude and frequency was shown, as well as acceleration of the decay kinetics. However, the application of a GABAA antagonist did not provide evidence for a simultaneous release of both transmitters. Possible explanations for the GABAergic component observed in evoked IPSCs involve a spillover of GABA from other synapses and that other projections besides the MNTB provide additional inhibitory input to the LSO. The second study addresses the question whether the tonotopic arrangement of the LSO of adult mice is reflected in adaptations on the cellular and synaptic level. The characterization of different intrinsic properties of LSO neurons revealed the existence of two distinct neuronal populations that display differences regarding their firing type and input resistance. Cells that exhibited an onset firing behavior probably showed a mediolateral gradient in their input resistance. The analysis of evoked and miniature IPSCs in mice could not provide clear evidence for position-dependent adaptations. A third set of experiments studies the consequences of two mutations associated with deafness in mice and humans. The Diminuendo mutation is the first known mutation of a microRNA related to hearing disorders. MicroRNA-96 regulates the expression of numerous genes involved in inner ear development and mutations are accompanied by defects of the peripheral auditory system, but its function in the central auditory system has not been investigated yet. This study examines the consequences of this mutation for a large central auditory synapse, the calyx of Held, and its postsynaptic partners in the MNTB. Since there is no conditional knockout available yet, another deaf mouse model, the Claudin-14 knockout mouse, served as control. In this mouse, the defect is exclusively peripheral. The comparison of both mutants allows to distinguish between peripheral and central defects. The study demonstrated that neither the mutation of miR-96 nor deafness had a significant effect on the passive membrane properties of MNTB neurons. However, Diminuendo mice showed a higher proportion of cells displaying an immature firing behavior. Studying the presynaptic morphology provided further hints for a developmental arrest. Calyces in Diminuendo mice did not possess the donut-like structures characteristic for adult animals but appeared rather immature. On a functional level, excitatory postsynaptic currents in the Diminuendo mutant displayed a stronger depression, suggesting a faster depletion of the vesicle pool, which is also in accordance with the idea of a developmental arrest. This hypothesis is further supported by the analysis of NMDA and AMPA receptor mediated currents, which display immature properties regarding their amplitude and kinetics. In summary, this study provides evidence that mutations of miR-96 result in a developmental arrest of several pre- and postsynaptic properties in the brainstem, similar to its function in the peripheral auditory system, while the influence of deafness on the calyx of Held-MNTB synapse is rather small.