Computation of direction selectivity in retinal starburst amacrine cell dendrites – studied using electrophysiological recordings and two-photon imaging

Neuronal circuits in the retina analyze images according to qualitative aspects such as color or motion, before the information is transmitted to higher visual areas of the brain. One example, studied for over the last four decades, is the detection of motion direction in ‘direction selective’ neurons. Recently, the starburst amacrine cell, one type of retinal interneuron, has emerged as an essential player in the computation of direction selectivity. In this study the mechanisms underlying the computation of direction selective calcium signals in starburst cell dendrites were investigated using whole-cell electrical recordings and two-photon calcium imaging. Analysis of the somatic electrical responses to visual stimulation and pharmacological agents indicated that the directional signal (i) is not computed presynaptically to starburst cells or by inhibitory network interactions. It is thus computed via a cell-intrinsic mechanism, which (ii) depends upon the differential, i.e. direction selective, activation of voltage-gated channels. Optically measuring dendritic calcium signals as a function of somatic voltage suggests (iii) a difference in resting membrane potential between the starburst cell’s soma and its distal dendrites. In conclusion, it is proposed that the mechanism underlying direction selectivity in starburst cell dendrites relies on intrinsic properties of the cell, particularly on the interaction of spatio-temporally structured synaptic inputs with voltage-gated channels, and their differential activation due to a somato-dendritic difference in membrane potential.

Neuronale Schaltkreise in der Netzhaut zerlegen das Bild der Umwelt nach qualitativen Aspekten, wie z.B. Farbe oder Bewegung, bevor die Informationen an höhere Gehirnregionen weitergeleitet werden. Ein Beispiel, an dem seit über 40 Jahren geforscht wird, ist die Verarbeitung von Richtungsinformation in sogenannten ‘richtungsselektiven’ Neuronen, die besonders stark auf eine bestimmte Richtung von Bewegung reagieren. In den letzten Jahren hat sich ein Typ von Interneuron in der Netzhaut als wichtiges Schaltkreiselement bei der Erkennung der Richtung visueller Bewegung herauskristallisiert: die "Starburst" Amakrinzelle. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von elektrophysiologischen Ableitungen und Kalzium-Messungen mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie die Mechanismen untersucht, die den richtungs-selektiven Kalziumsignalen in den Dendriten der "Starburst"-Zellen zugrunde liegen. Die Analyse der elektrischen Zellantworten auf visuelle Stimulation, in Verbindung mit Pharmakologie, deutet darauf hin, dass das richtungsselektive Signal (i) nicht präsynaptisch zu der "Starburst"-Zelle entsteht und nicht durch inhibitorische Interaktionen im retinalen Netzwerk hervorgerufen wird. Es kommt vielmehr durch eine ‚zell-interne’ Berechnung zustande, die (ii) von einer spezifischen, d.h. richtungsselektiven Aktivierung spannungsgesteuerter Kanäle abhängt. Messungen der dendritischen Kalziumsignale in Abhängigkeit von der Spannung am Zellkörper weisen (iii) auf einen Unterschied im Ruhepotential zwischen Zellkörper und Dendriten hin. Es wird daher vorgeschlagen, dass der Berechnung der Richtungs-information ein Mechanismus zugrunde liegt, der auf intrinsischen Eigenschaften der "Starburst"-Zellen beruht, genauer auf der Wechselwirkung von zeitlich strukturierten synaptischen Eingängen mit spannungsgesteuerten Kanälen und deren richtungs-spezifischer Aktivierung durch einen dendritischen Spannungsgradienten.