Transformation of grid signals to place signals in the mammalian space circuit

Det er kjent at posisjoneringssystemet i pattedyrhjernen inneholder flere funksjonelt spesialiserte celletyper, slik som plassceller i hippocampus og gitterceller, retningsceller og grenseceller i entorhinal cortex. Hvordan disse celletypene samhandler er imidlertid ikke godt forstått. Vi har tatt i bruk en kombinert optogenetisk-elektrofysiologisk strategi for å bestemme den funksjonelle identiteten til entorhinale celler med direkte projeksjoner til hippocampus. Vi har uttrykt mikrobiale opsiner selektivt i hippocampus-projiserende projeksjoner fra nevroner i entorhinal cortex. Ved å injisere adenoassosierte virus i hippocampus som transporteres fra axonet bak til soma i entorhinal cortex har vi identifisert entorhinale celler med rask aktivering som respons på en lyspuls. Disse cellene har direkte forbindelser til hippocampus. De fleste direkte-projiserende cellene er gitterceller men rask aktivering kan også ses i grenseceller og retningsceller, og i celler med ikke-periodisk plassbestemt aktivitet, hvilket tyder på at plassceller dannes ved konvergens av signaler fra mange forskjellige kilder. Dataene er i samsvar med målinger fra rotter i tidlige utviklingsstadier, hvor grenseceller er til stede på første dag når rottene utforsker et miljø utenfor redet, mens gitterceller først modnes etter en ukes utforskning. En begrensning ved studier av projeksjoner til plassceller i hippocampus så langt er imidlertid at de kun ser på gjennomsnittet av funksjonelle projeksjoner. For å identifisere input til individuelle plassceller og for å forstå hvordan slike inngangssignaler former plasscellene er vi i gang med å utvikle en virusbasert metode som vil sette oss i stand til å infisere enkeltceller i CA3 av hippocampus med rabiesvirus som uttrykker en fluorescent markør og som er designet til selektivt å infisere celler med direkte kontakt til foredrecellen. Ved å bruke bærbare mikroskoper vil vi snart være i stand til å identifisere de funksjonelle egenskapene til de cellene som har direte projeksjoner på individuelle plassceller i hippocampus.

Place cells are hippocampal neurons that fire if an animal moves through a particular location in space. These cells are embedded in a larger (para)hippocampal brain circuit for dynamic representation of self-position. A key element of this wider circuit is the entorhinal grid cell, which fires only when the animal moves through locations that collectively define a periodic triangular array across the environment. Grid cells co-exist with other cell types encoding head direction, geometric borders, or con junctions of features. The network of entorhinal cell types is thought to form an essential part of the brain?s coordinate system for metric navigation but the mechanisms generating each firing pattern, and the function of each cell type, remain to be det ermined. Technology for large-scale neuronal ensemble recording has made it possible to address these unsolved questions by monitoring population dynamics during spatial navigation. However, insights are still hampered by a lack of tools for selective int ervention. Such tools are now becoming available. New optogenetic technologies allow target cell types to be depolarized or hyperpolarized selectively in even the most entangled brain circuits. We shall employ these techniques to investigate how spatial l ocation is computed in the entorhinal-hippocampal system. Specifically, we shall establish (i) which entorhinal cell types (grid cells, head direction cells, border cells) project into the place-representing regions of the hippocampus, (ii) which cell typ es project to an individual hippocampal place cell, and (iii) how the particular combination of functional inputs shapes the properties of the place cell. The morphological identify of the incoming projections will also be identified. Taken together, thes e expeirments will pioneer the functional analysis of neural circuits and may, perhaps for the first time, provide us with mechanistic insight into a non-sensory neural code transformation in the mammalian cortex.