Cellular and network mechanisms generating spontaneous population events in the immature rat hippocampus

Distinct endogenous network events, generated independently of sensory input, are a general feature of various structures of the immature central nervous system. In the immature hippocampus, these type of events are seen as "giant depolarizing potentials" (GDPs) in intracellular recordings in vitro. GABA, the major inhibitory neurotransmitter of the adult brain, has a depolarizing action in immature neurons, and GDPs have been proposed to be driven by GABAergic transmission. Moreover, GDPs have been thought to reflect an early pattern that disappears during development in parallel with the maturation of hyperpolarizing GABAergic inhibition. However, the adult hippocampus in vivo also generates endogenous network events known as sharp (positive) waves (SPWs), which reflect synchronous discharges of CA3 pyramidal neurons and are thought to be involved in cognitive functions. In this thesis, mechanisms of GDP generation were studied with intra- and extracellular recordings in the neonatal rat hippocampus in vitro and in vivo. Immature CA3 pyramidal neurons were found to generate intrinsic bursts of spikes and to act as cellular pacemakers for GDP activity whereas depolarizing GABAergic signalling was found to have a temporally non-patterned facilitatory role in the generation of the network events. Furthermore, the data indicate that the intrinsic bursts of neonatal CA3 pyramidal neurons and, consequently, GDPs are driven by a persistent Na+ current and terminated by a slow Ca2+-dependent K+ current. Gramicidin-perforated patch recordings showed that the depolarizing driving force for GABAA receptor-mediated actions is provided by Cl- uptake via the Na-K-C1 cotransporter, NKCC1, in the immature CA3 pyramids. A specific blocker of NKCC1, bumetanide, inhibited SPWs and GDPs in the neonatal rat hippocampus in vivo and in vitro, respectively. Finally, pharmacological blockade of the GABA transporter-1 prolonged the decay of the large GDP-associated GABA transients but not of single postsynaptic GABAA receptor-mediated currents. As a whole the data in this thesis indicate that the mechanism of GDP generation, based on the interconnected network of bursting CA3 pyramidal neurons, is similar to that involved in adult SPW activity. Hence, GDPs do not reflect a network pattern that disappears during development but they are the in vitro counterpart of neonatal SPWs.

Väitöstyössä selvitettiin kehittyvässä hippokampuksessa ilmenevän sisäsyntyisen hermoverkkoaktiivisuuden syntymekanismi. Hippokampus eli aivoturso on aivokuoren alue, joka osallistuu aikuisella pitkäketoisen muistin tallentamiseen. Jo 1980-luvulta lähtien on tiedetty, että varhaisessa yksilönkehityksen vaiheessa hippokampus tuottaa aistiärsykkeistä riippumatonta sisäsyntyistä hermoverkkoaktiviisuutta. Tällainen aktiivisuus ilmenee samanaikaisesti useissa hermosoluissa jättiläismäisina depolaroivina kalvopotentiaaleina. Sen on ajateltu vaikuttavan hermosolukytkentöjen muodostumiseen ja häviävän yksilönkehityksen aikana. Vuosikymmenien ajan on kuitenkin tiedetty, että myös aikuisen hippokampus tuottaa sisäsyntyistä hermosoluaktiivisuutta, niinsanottuja teräviä aaltoja. Väitöstyössä tehdyt mittaukset rotan poikasista osoittivat, että pyramidisoluihin kuuluvat tahdistinsolut synnyttävät varhaisen hippokampaalisen hermoverkkoaktiivisuuden rytmin. Tämä sama perusmekanismi synnyttää myös aikuisiässä hippokampuksen terävät aallot. Väitöstyössä myös osoitettiin, että kypsissä hermosoluissa aktiivisuutta estävä välittäjäaine, gamma-aminovoihappo (GABA), kiihdyttää tahdistinsolujen rytmiä epäkypsässä hippokampuksessa. Lisäksi väitöstyössä selvitettiin GABA:n kiihdyttävän luonteen aiheuttava ionikuljettajamekanismi ja tahdistinsolujen rytmin määrävät ionikanavamekanismit, sekä havaittiin että GABA:n soluunotto lyhentää GABA-vasteita jättiläismäisten depolaroivien kalvopotentiaalien aikana. Väitöstyön tulosten perusteella voidaan päätellä, että varhaisessa yksilönkehityksen vaiheessa ilmenevä hippokampaalinen rytmi ei häviä iän myötä vaan heijastaa pitkäkestoisen muistin tallentamiseen osallistuvan hermoverkkoaktiivisuuden, terävien aaltojen, kypsymistä.