Layer-specific intracortical amplification shortens the lifetime of thalamocortical repetition suppression in primary auditory cortex

Abstract

Cortical adaptation has been suggested to be inherited from subcortical sensory pathways, to rely on synaptic depression of the thalamocortical synapse, to be influenced by intracortical balance between excitation and inhibition, and to be modulated by corticofugal feedback. In this PhD thesis, the goal was to disentangle intracortical from subcortical contributions to cortical adaptation. I have investigated repetition suppression (RS) as a fundamental aspect of adaptation in the primary auditory cortex (A1) of anesthetized of Mongolian gerbils (Meriones unguiculatus), and presented the regular-SOI paradigm with systematically varying stimulus onset intervals (SOIs) to create steady state adaptation at different strengths. Layer-specific analysis of synaptic mass inputs into the cortex was performed using current source density (CSD) analysis. To study the effect of intracortical synaptic input to adaptation, the intracortical processing was silenced with the GABAA-agonist muscimol. The major findings show that initial granular and infragranular sinks display different RS kinetics. Lifetime of the infragranular sink was nearly twice as long as that of the granular sink. Pharmacological silencing the intracortical processing had different impacts on the RS kinetics in both layers, which prolonged the lifetime of granular sink and did not change that of infragranular sink thus left comparable lifetime in both layers. These results demonstrate an intracortical contribution to RS in the granular layer, and raise the supposition of an intracortical mechanism that re-amplifies the suppressed thalamocortical inputs. Furthermore, it was shown for the first time that RS was stronger for the sink activity than for the sink integral, indicating an important role of synchronization of synaptic events in cortical RS.

Kortikale Adaptation kann auf mehrere Ursachen zurückgeführt werden. So wird angenommen, dass sie von subkortikalen sensorischen Bahnen übernommen wird, von der synaptischen Unterdrückung der thalamokortikalen Synapse abhängt, vom intrakortikalen Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung (Inhibition) beeinflusst wird und durch kortikofugale Rückkopplung moduliert wird. Ziel dieser Doktorarbeit war es, intrakortikale von subkortikalen Anteilen an der kortikalen Adaptation zu differenzieren. Hierzu habe ich die durch wiederholte Stimulation hervorgerufene Unterdrückung des auditorischen Responses (’repetition suppression‘ -- RS) als einen grundlegenden Aspekt der Adaptation im primären auditorischen Kortex (A1) von anästhesierten mongolischen Wüstenrennmäusen (Meriones unguiculatus) untersucht. Als experimentelles Paradigma habe ich das Regular-SOI-Paradigma mit systematisch variierenden Stimulus-Onset-Intervallen (SOI) eingesetzt, um eine Steady-State-Adaptation unterschiedlicher Stärke zu erzeugen. Eine schichtspezifische Analyse des synaptischen Masse-Eintrags in den Kortex wurde mit Hilfe der Stromquellendichte-Analyse (‘current source density‘, CSD) durchgeführt. Um den Effekt des intrakortikalen synaptischen Inputs auf die Adaptation zu untersuchen, wurde die intrakortikale Verarbeitung mit dem GABAA-Agonisten Muscimol ruhiggestellt. Das zentrale Ergebnis meiner Arbeit ist der Befund, dass initiale granuläre und infragranuläre Senken unterschiedliche RS-Kinetiken aufweisen. Die Lebensdauer der infragranulären Senke war fast doppelt so lang wie die der granulären Senke. Die pharmakologische Unterdrückung der intrakortikalen Verarbeitung hatte unterschiedliche Auswirkungen auf die RS-Kinetik in beiden Schichten: sie führte zu einer Verlängerung der Lebensdauer der granulären Senke, während sich die Lebensdauer der infragranulären Senke nicht veränderte, was wiederum vergleichbar lange Lebensdauern in beiden Schichten zur Folge hatte. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen einen intrakortikalen Beitrag zur RS in der granulären Schicht und lassen einen intrakortikalen Mechanismus vermuten, der die unterdrückten thalamokortikalen Inputs erneut verstärkt. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal gezeigt, dass RS für die Senken-Aktivität stärker war als für das Senken-Integral, was auf eine wichtige Rolle der Synchronisation von synaptischen Ereignissen bei der kortikalen RS hinweist.