Ca v3.2 T-type calcium channels modulate burst firing of mature granule cells of the dentate gyrus

Abstract

Dentate gyrus granule cells (DGGCs) convey sensory information from the layer II of the entorhinal cortex to the CA3 subfield of the hippocampus and underlie neuronal processing critical for hippocampal function. Because of adult neurogenesis, the global population of DGGCs at a certain time point of an adult animal’s life is composed of a heterogeneous mix of newborn, immature granule cells (iGCs) and older, mature GCs (mGCs). iGCs and mGCs exhibit strong differences in their structural, molecular and electrophysiological characteristics. iGCs, which compose around 10% of the total DGGC population, are seen as highly excitable due to their high input resistance and enhanced sensitivity to synaptic plasticity. On the other hand, the more abundant mGCs (the remaining 90% of all DGGCs) have intrinsic electrical properties such as low input resistance, strong dendritic voltage attenuation and hyperpolarized resting potential that make them seemingly weakly excitable. Because of these features, it remains intriguing how mGCs can actively participate in DG function. In this thesis, I explored the impact of T-type low-voltage activated calcium channels, notably the Cav3.2 isoform, in regulating mGCs firing properties. The three T-type channel isoforms Cav3.1, Cav3.2, and Cav3.3 are expressed in the DG, with Cav3.2 being the most abundant. T-type channels are permeable to calcium and thus can have a double effect on neuronal excitability upon activation: depolarization of the membrane and/or triggering of intracellular calcium signaling. They are preferentially active at negative potentials below -60 mV and have specific properties, including low voltage threshold for activation and small conductance. In addition, they quickly inactivate upon depolarization, leading to transient calcium current. A well-documented effect of T-type channels on neuronal excitability is to endow neurons with a stereotypical pattern of action potentials (APs) generation in the form of high-frequency bursts. Interestingly, T-type channels have been shown in brainstem interneurons to localize at the level of the axon initial segment, a position critical to control neuronal firing. More recently, it was also reported that T-type channels are present in the axon initial segment of mGCs, where they are implicated in cholinergic-induced modulation of M-type potassium channels and subsequent changes in AP threshold. Performing current-clamp recordings of mGCs from rodent hippocampal slices in vitro, I show a critical contribution of T-type channels to burst firing of these neurons in response to stimulation by somatic current injection. I provide evidence of T-type mediated calcium influx both in a region of the proximal axon, which corresponds to the position of the axon initial segment of mGCs, and in the dendrites. Local application of T-type blockers on this axonal domain resulted in impairment of the burst firing of mGCs, indicating that T-type channels at the axon initial segment are involved into control of burst generation. Analysis of the firing properties of mGCs from Cav3.2 KO mice allowed me to identify a crucial role of the Cav3.2 subtype in modulation of bursting. I also stimulated the medial perforant path and observed that stronger excitatory post-synaptic potentials (EPSPs) were required for mGCs from Cav3.2 KO mice to exhibit production of several APs in the timescale of a single EPSP (around 20 ms) as compared to WT. Finally, in vivo recording of local field potential and single unit activity in the DG and in CA3 of WT and Cav3.2 KO mice, done in collaborative work, revealed an impairment of neuronal activity in both structures in Cav3.2 KO mice, in a manner suggesting altered DG-CA3 communication. Based on my findings and on the existing literature, I propose a model in which T-type calcium channels localized at the level of the axon initial segment of mGCs support low-threshold generation of bursts of high-frequency APs, a mechanism compatible with both the low excitability of mGCs and the firing requirements to trigger CA3 pyramidal cells.

Körnerzellen des Gyrus dentatus übermitteln sensorische Informationen aus dem entorhinalen Kortex in die CA3-Region des Hippokampus. Der Gyrus dentatus ist eine der wenigen Hirnregionen in denen Neurogenese auch nach der Entwicklung stattfindet. Daher finden sich im adulten Gehirn sowohl ausgereifte als auch neu geborene Körnerzellen. Beide Zellpopulationen unterscheiden sich nicht nur morphologisch sondern auch in ihren elektrophysiologischen Eigenschaften. Junge Körnerzellen, die ca. 10% der gesamten Population ausmachen, sind aufgrund ihres höheren Eingangswiderstands leichter erregbar und ihre synaptischen Eingänge sind leichter modifizierbar. Ausgereifte Körnerzellen hingegen zeigen einen niedrigeren Eingangswiderstand, eine stärkere Abschwächung der dendritischen Erregungsleitung und ein hyperpolarisierendes Ruhepotential, was in der Summe ihre Erregbarkeit deutlich vermindert. Daher stellt sich die Frage, welche Rolle diese Zellen für die Funktion des Gyrus dentatus spielen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von T-Typ-Kalziumkanäle auf die Eigenschaften von ausgereiften Körnerzellen hippokampaler Hirnschnitte untersucht. Alle drei T-Typ Kalziumkanäle, Cav3.1, Cav3.2, und Cav3.3, werden im Gyrus dentatus exprimiert, wobei Cav3.2 stärker exprimiert ist als die beiden anderen T-Typ Kalziumkanäle. Mit Hilfe von Patch-clamp-Experimenten wurde die Verteilung von T-typ Kalziumkanälen in gereiften Körnerzellen in hippokampalen Hirnschnitten untersucht. Wir konnten zeigen dass T-typ Kanäle für das Entladungsmuster dieser Neurone wichtig sind. Hier haben die Cav3.2 Kanäle einen Einfluss auf die initiale repetitive Entladung von Aktionspotentialen. Darüber hinaus wurde gefunden dass diese Kalziumkanäle im initialen axonalen Segment und in Dendriten lokalisiert sind. Die Kontrolle des Entladungsmusters wird durch Cav3.2 Kanäle die im initialen axonalen Segment zu finden sind mitbestimmt. Hier scheint der Cav3.2 Kanal eine zentrale Rolle zu spielen, was durch Experimente in Knockout Mäusen bestätigt wurde. In Zusammenarbeit konnten wir in vivo Ableitungen lokaler Feldpotentiale und sogenannter 'single units' im Gyrus dentatus und der CA3 Region des Hippokampus durchgeführen. Hier konnte eine Cav3.2 spezifische Störung der neuronalen Aktivität nachgewiesen werden. Basierend auf diesen Resultaten schlagen wir ein Modell vor, bei dem T-Typ Kalziumkanäle im axonalen initialen Segment von reifen Körnerzellen niedrigschwellige, hochfrequente Aktionspotentiale generieren und damit den Informationstransfer zu CA3 Pyramidenzellen beeinflussen.