Untersuchung der Verteilungs- und Expressionsmuster von Cannabinoid 1-Rezeptor-positiven Interneuronen im Neokortex der Maus
Investigation of Destribution and Expression Patterns of Cannabinoid 1 Receptor-positive Interneurons in the Mouse Neocortex
by Katharina Koch
Date of Examination:2025-03-04
Date of issue:2025-02-20
Advisor:Prof. Dr. Dr. Oliver Schlüter
Referee:Prof. Dr. Dr. Oliver Schlüter
Referee:Prof. Dr. Jochen Staiger
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11086
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Abstract
English
Inhibitory interneurons regulate the network activity of cortical neuronal ensembles through the release of the neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA). Interneurons (IN) exhibit significant heterogeneity concerning their molecular markers, morphology, and physiological membrane properties. Consequently, IN can be classified into various types. The endocannabinoid (CB) 1 receptor is one of the molecular markers that IN can express. However, the function of individual types is still poorly understood. Furthermore, it is unclear to what extent the properties of individual types vary depending in the cortical brain region. Recent studies suggest that cortical hierarchy influences the occurrence of different IN types in the neocortex. Investigations from our laboratory, for instance, indicate that the distribution patterns and physiological properties of cannabinoid 1-receptor-expressing (CB1+) IN differ between primary sensory and hierarchically higher associative structures, such as the medial prefrontal cortex (mPFC). In the present study, the relatively understudied CB1+ IN in the mouse neocortex were comparatively examined in the regions primary somatosensory cortex (S1) and the mPFC for selected markers. The investigation aimed to determine the classification of CB1+ IN within the previously described groups of IN and whether their proportion varies depending on the region. For this purpose, fluorescence-in-situ-hybridization was performed, utilizing probes for Vglut1, Sst, Gad1, Vip and Cck to differentiate between five different marker-expressing CB1+ IN subtypes. In summary, our results demonstrate that the neurons labeled in the CB1-tdTomato reporter mouse line used here represent IN, but not excitatory pyramidal neurons (PN). They predominantly secrete GABA as an inhibitory neurotransmitter. Additionally, it emerged that there seems to be no subpopulation of CB1+ IN expressing somatostatin, suggesting functional non-overlap. However, colocalization of CB1+ IN with markers for cholecystokinine (CCK) and vasoactive intestinal peptide (VIP) was observed. The present study suggests that at least a portion of CB1+ IN is positive for both CCK and VIP. Furthermore, the colocalization of CB1+ IN with cholecystokinine-expressing (CCK+) IN appears to be strongly determined by cortical hierarchy. Our analyses suggest a higher proportion of CCK+/CB1+ IN in the associative mPFC. Based on this concept of dependence on cortical hierarchy, differences in cell density between CB1+ IN and the comparison group of parvalbumin-expressing (PV+) IN were comparatively elucidated using IHC. Both sensory areas, including subtypes of S1 (barrel and jaw region) and primary visual cortex, and assoziative areas such as mPFC and the entorhinal cortex, were examined. In the sensory areas, it has been observed that the cell density of PV+ IN exceeds that of the CB1+ IN. However, in the associative areas, the proportion of CB1+ IN to CB1-negative PV+ IN appears to be balanced. This suggests that CB1+ IN may increase in importance in associative areas, which may be related to the distinct functions of these brain regions. In summary, the results point to a dependence of the molecular defined types of CB1+ IN and their density on cortical hierarchy, indicating variable appearances of inhibitory wiring motifs therein. This has implications for the control of excitatory prefrontal network assemblies, which may be relevant in the development of various psychiatric disorders.
Keywords: GABA; GABAergic interneurons; endocannabinoid; CB1; CB1 interneurons; cortical hierarchy; neocortex
German
Inhibitorische Interneurone regulieren die Netzwerkaktivität kortikaler neuronaler Ensembles durch die Freisetzung des Neurotransmitters γ-Aminobuttersäure (GABA). Interneurone (IN) weisen eine signifikante Heterogenität hinsichtlich ihrer molekularen Marker, Morphologie und physiologischer Membraneigenschaften auf. Folglich können IN in verschiedene Typen klassifiziert werden. Der Endocannabinoid (CB) 1-Rezeptor ist einer der molekularen Marker, den IN exprimieren können. Die Funktion einzelner IN-Typen ist jedoch noch unzureichend verstanden. Darüber hinaus ist unklar, inwieweit die Eigenschaften einzelner IN-Typen je nach kortikaler Hirnregion variieren. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass die kortikale Hierarchie das Auftreten verschiedener IN-Typen im Neokortex beeinflusst. Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe weisen beispielsweise darauf hin, dass sich die Verteilungsmuster und physiologischen Eigenschaften von Cannabinoid-1-Rezeptor-exprimierenden (CB1+) IN zwischen primären sensorischen und hierarchisch höheren assoziativen Strukturen, wie dem medialen präfrontalen Kortex (mPFC), unterscheiden. In der vorliegenden Studie wurden die relativ wenig untersuchten CB1+ IN im Neokortex der Maus vergleichend in den Regionen primärer sensorischer Kortex (S1) und mPFC hinsichtlich ausgewählter Marker untersucht. Ziel der Untersuchung war es, die Klassifizierung von CB1+ IN innerhalb zuvor beschriebener IN-Gruppen zu bestimmen und festzustellen, ob ihr Anteil je nach Region variiert. Zu diesem Zweck wurde eine Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung durchgeführt, unter Verwendung von Sonden für Vglut, Sst, Gad1, Vip und Cck, um zwischen fünf verschiedenen Marker-exprimierenden CB1+ IN-Subtypen zu differenzieren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die in der hier verwendeten CB1-tdTomato-Reportermauslinie markierten Neurone IN, aber keine exzitatorischen Pyramidenzellen (PN) repräsentieren. Sie sezernieren überwiegend GABA als inhibitorischen Neurotransmitter. Zusätzlich zeigte sich, dass es offenbar keine Subpopulation von CB1+ IN gibt, die Somatostatin exprimiert, was auf eine funktionelle Nicht-Überlappung hindeutet. Es wurde jedoch eine Kolokalisation von CB1+ IN mit Markern für Cholecystokinin (CCK) und vasoaktives intestinales Peptid (VIP) beobachtet. Die vorliegende Studie legt nahe, dass zumindest ein Teil der CB1+ IN sowohl für CCK als auch für VIP positiv ist. Darüber hinaus scheint die Kolokalisation von CB1+ IN mit Cholecystokinin-exprimierenden (CCK+) IN stark von der kortikalen Hierarchie bestimmt zu sein. Unsere Analysen deuten auf einen höheren Anteil von CCK+/CB1+ IN im assoziativen mPFC hin. Basierend auf diesem Konzept der Abhängigkeit von der kortikalen Hierarchie wurden Unterschiede in der Zelldichte zwischen CB1+ IN und der Vergleichsgruppe der Parvalbumin-exprimierenden (PV+) IN mittels Immunhistochemie vergleichend untersucht. Sowohl sensorische Areale, einschließlich Subtypen von S1 (Barrel- und Kieferregion) und primärer visueller Kortex, als auch assoziative Areale, wie mPFC und entorhinaler Kortex, wurden untersucht. In den sensorischen Arealen wurde beobachtet, dass die Zelldichte der PV+ IN die der CB1+ IN übersteigt. In den assoziativen Arealen scheint jedoch das Verhältnis von CB1+ IN zu CB1-negativen PV+ IN ausgeglichen zu sein. Dies deutet darauf hin, dass CB1+ IN in assoziativen Arealen an Bedeutung gewinnen könnten, was mit den spezifischen Funktionen dieser Hirnregionen zusammenhängen könnte. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse eine Abhängigkeit der molekular definierten Typen von CB1+ IN und ihrer Dichte von der kortikalen Hierarchie hin, was auf variable Erscheinungsformen inhibitorischer Verschaltungsmotive hindeutet. Dies hat Implikationen für die Kontrolle exzitatorischer präfrontaler Netzwerkensembles, die für die Entwicklung verschiedener psychiatrischer Störungen relevant sein könnten.
Schlagwörter: CB1-positive Interneurone; GABAerge Interneurone; Endocannabinoid; Neokortex; kortikale Hierarchie
