Spatio-temporal specialization of GABAergic septo-hippocampal neurons for rhythmic network activity

Abstract

Medial septal GABAergic neurons of the basal forebrain innervate the hippocampus and related cortical areas, contributing to the coordination of network activity, such as theta oscillations and sharp wave-ripple events, via a preferential innervation of GABAergic interneurons. Individual medial septal neurons display diverse activity patterns, which may be related to their termination in different cortical areas and/or to the different types of innervated interneurons. To test these hypotheses, we extracellularly recorded and juxtacellularly labeled single medial septal neurons in anesthetized rats in vivo during hippocampal theta and ripple oscillations, traced their axons to distant cortical target areas, and analyzed their postsynaptic interneurons. Medial septal GABAergic neurons exhibiting different hippocampal theta phase preferences and/or sharp wave-ripple related activity terminated in restricted hippocampal regions, and selectively targeted a limited number of interneuron types, as established on the basis of molecular markers. We demonstrate the preferential innervation of bistratified cells in CA1 and of basket cells in CA3 by individual axons. One group of septal neurons was suppressed during sharp wave-ripples, maintained their firing rate across theta and non-theta network states and mainly fired along the descending phase of CA1 theta oscillations. In contrast, neurons that were active during sharp wave-ripples increased their firing significantly during “theta” compared to “non-theta” states, with most firing during the ascending phase of theta oscillations. These results demonstrate that specialized septal GABAergic neurons contribute to the coordination of network activity through parallel, target area- and cell type-selective projections to the hippocampus.

The Cortico-hippocampal Circuit: The Brain’s Center for Mapping and Declarative Memory

“…Bu anatomik ayrım ilk aşamada, entorhinal korteksteki gibi, septal ve ventral segmentler arasındaki temel morfolojik farklardan ortaya çıkmıştır. Barındırdığı nöron tipleri bakımından memeli beyninde en fazla araştırılmış bölge olan hipokampuste (45), dorso-ventral düzlem boyunca belirli nöron tiplerinin farklı oranlarda bulunduğu anlaşılmıştır (46) Memeli beyninin evriminde serebral korteks dışa doğru büyüdükçe, hipokampusun oluşan fiziksel baskıyla, saat yönünde yaklaşık 45 derece döndüğü anlaşılmaktadır. Bu nedenle kemirgenlerde telensephalonun kaudal kısmında yer alan hipokampal formasyon, primatlarda MTL'nin medial kısmında ve lateral ventrikülün temporal boynuzunun yanında yer alır.…”

“…Bu katmansal topografik yapı, hipokampusu hedefleyen ve hipokampuste işlenip tekrar kortekse gönderilen nöronal enformasyonu içeren iki ana yolağın (kortiko-hipokampal ve hipokampo-kortikal) birbirlerinden bağımsız ve kopuk oldukları anlamına gelmez. Bu iki yolak, temelde farklı tabakalardaki nöronlar tarafından oluşturulmakla birlikte, geçtikleri her kortikal bölgede aynı nöronların farklı somato-dentritik kısımlarına sinaps kurabilirler (46,57). Kortiko-hipokampal aksonlar iç tabakalardaki piramidal nöronların apikal dentritlerine, hipokampo-kortikal aksonlar ise dış katmanlarda konuşlanmış küçük piramidal hücrelerin bazal dentritleri ile ve yıldızsı hücrelerin distal dentritlerine ulaşır.…”

“…Hipokampal teta osilasyonu (4-12 Hz; MTeta=∼8 Hz) bazal önbeyin septal afferentlerin katkısıyla lokal olarak ortaya çıkar (46,59). Bu esnada entorhinal kortekste de belirgin bir teta osilasyonu yine bazal ön beyin modülasyonu ile lokal entorhinal devrelerin ürünü olarak oluşur (57,59,60).…”

“…Beyin osilasyonları, bu koordinasyonun ekstraselüler kayıtlarla gözlemlenmesi anlamına gelir; bu bakımından nöronal süreçlerin nedeni değil, sonucudur. Özetle, kortiko-hipokampal enformasyon akışının ilk evresinde, bazal ön beyin kolinerjik ve GABAerjik afferentlerin modülasyonu ile oluşan geniş kortikal koordinasyon, teta osilasyonları olarak gözlemlenir (46,57). Bu, uzun süreli bellek edinimi safhasıdır.…”

“…Yukarıda açıklanan tüm hücre tipleri, in vivo elektrofizyolojik/ fonksiyonel sınıflandırmaları ifade etmektedir. Buna karşın nörobilim literatüründe "hücre tipi", esas olarak bir nöronun kimyasal profili (hangi nörotransmitter ve molekülleri içerdiği) ile sinaptik girdi ve çıktılarını belirleyen morfolojik yapısını temel alarak belirlenir (ör: Piramidal hücre veya parvalbuminimmünopozitif basket hücresi) (45,46,57,59,91). Yukarıda özetlenen haritalama hücrelerinin GABAerjik ara nöronlardan ziyade ana tip nöronlar oldukları düşünülmektedir.…”