Veröffentlichungen – Salk Institute for Biological Studies

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Klug, JR, Yan, X., Hoffman, H., Engelhardt, MD, Osakada, F., Callaway, EM, Jin, X. Asymmetrische kortikale Projektionen auf direkte und indirekte Striatalbahnen steuern die Aktionen eindeutig. (2025) Elife. 12. DOI: 10.7554/eLife.92992

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Cassidy, RM, Macias, AV, Lagos, WN, Ugorji, C., Callaway, EM Komplementäre Organisation der kortiko-thalamo-kortikalen Treiber- und Modulatorschaltkreise der Maus. (2025) Journal of Neuroscience. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1167-24.2024

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Kortikokortikale (CC) Projektionen im visuellen System erleichtern die hierarchische Verarbeitung sensorischer Informationen. Zusätzlich zu direkten CC-Verbindungen können indirekte kortiko-thalamo-kortikale (CTC) Bahnen durch den Pulvinarkern des Thalamus sensorische Signale weiterleiten und kortikale Interaktionen entsprechend den Verhaltensanforderungen vermitteln. Während der Pulvinarkern umfassend mit dem gesamten visuellen Kortex verbunden ist, ist nicht bekannt, ob transthalamische Bahnen alle kortikalen Bereiche verbinden oder ob sie systematischen Organisationsregeln folgen. Da Pulvinarneuronen bei Mäusen, die in verschiedene Bereiche projizieren, räumlich vermischt sind, waren ihre Input-/Output-Beziehungen mit herkömmlichen anatomischen Methoden schwer zu charakterisieren. Um die Organisation der CTC-Schaltkreise zu bestimmen, haben wir die höheren visuellen Bereiche (HVAs) männlicher und weiblicher Mäuse mit intrinsischer Signalbildgebung kartiert und fünf Pulvinar→HVA-Bahnen für eine projektionsspezifische Tollwutverfolgung ausgewählt. Wir haben postmortales Kortexgewebe mit In-vivo-Karten abgeglichen, um die Bereiche und Zelltypen, die auf jede Pulvinar→HVA-Population projizieren, präzise zu quantifizieren. Die „Treiber“-Eingaben der Schicht 5 des kortikothalamischen (L5CT) zum Pulvinar stammen überwiegend aus dem primären visuellen Kortex (V1), was mit der CC-Hierarchie übereinstimmt. L5CT-Eingaben von lateralen HVAs vermeiden speziell das Antreiben reziproker Verbindungen, was mit der Hypothese „keine starken Schleifen“ übereinstimmt. Umgekehrt sind die „Modulator“-Eingaben der Schicht 6 des kortikothalamischen (L6CT) über verschiedene Bereiche verteilt und tendieren zu reziproken Verbindungen. Im Gegensatz zu früheren Studien an Primaten stellen wir fest, dass jeder HVA disynaptische Eingaben vom Colliculus superior erhält. CTC-Schaltkreise im Pulvinar hängen daher sowohl vom Ziel-HVA als auch vom Eingangszelltyp ab, sodass das Antreiben und Modulieren höherstufiger Pfade komplementären Verbindungsregeln folgt, die denen für CT-Schaltkreise erster Ordnung ähneln. Um die Funktion des Pulvinars zu verstehen, muss man seine anatomischen Verbindungen kennen. Mithilfe modernster Tollwutverfolgung erstellen wir eine Karte der hirnweiten und CTC-Pulvinarverbindungen. Während der Tectopulvinar-Pfad der Primaten selektiv dorsale visuelle Bereiche anvisiert, finden wir bei der Maus allgegenwärtige SC-Eingaben. Diese extragenikuläre Projektion unterstützt unbewusstes visuell gesteuertes Verhalten, was darauf hindeutet, dass alle visuellen Kortexbereiche bei Mäusen zu solchen Funktionen beitragen. Unsere Ergebnisse vereinen auch langjährige anatomische Hypothesen. „Treiber“-CTC-Eingaben sind Feedforward-Relais und entsprechen der „No-Strong-Loops“-Hypothese. „Modulator“-L6CT-Eingaben sind im Ziel-HVA überrepräsentiert, was die wechselseitige Konnektivität widerspiegelt, die in früheren Bulk-Tracing-Studien beschrieben wurde. Zusammen bilden diese Erkenntnisse eine umfassende Karte als Leitfaden für zukünftige experimentelle und theoretische Studien zur Pulvinarfunktion.

Patiño, M., Rossa, MA, Lagos, WN, Patne, NS, Callaway, EM Transkriptomische Zelltypspezifität lokaler kortikaler Schaltkreise. (2024) Neuron. DOI: 10.1016 / j.neuron.2024.09.003

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Adusei, M., Callaway, EM, Usrey, WM, Briggs, F. Parallele Ströme direkter kortikogener Rückmeldung vom extrastriatischen Kortex mittlerer Ebene beim Makaken. (2024) eNeuro. DOI: 10.1523/ENEURO.0364-23.2024

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Thalamuskerne erster Ordnung empfangen Feedforward-Signale von peripheren Rezeptoren und leiten diese Signale an den primären sensorischen Kortex weiter. Der primäre sensorische Kortex wiederum liefert eine wechselseitige Rückmeldung an den Thalamus erster Ordnung. Da die überwiegende Mehrheit der sensorischen thalamokortikalen Eingaben auf den primären sensorischen Kortex abzielt, wird angenommen, dass ihre komplementären kortikothalamischen Neuronen in ähnlicher Weise auf den primären sensorischen Kortex beschränkt sind. Wir stellen diese Annahme auf den Kopf, indem wir morphologisch unterschiedliche Neuronen in mehreren mittleren visuellen kortikalen Bereichen des Gehirns von Primaten () charakterisieren, die eine direkte Rückmeldung an den primären visuellen Thalamus, den dorsalen lateralen Kniehöcker (LGN), liefern. Obwohl die Mehrheit der Geniculocortical-Neuronen in den primären visuellen Kortex (V1) projiziert, liefert eine Minderheit, die sich hauptsächlich in den koniozellulären LGN-Schichten befindet, direkte Eingaben in den extrastriären visuellen Kortex. Diese „V1-umgangenen“ Projektionen können mit der Blindsichtigkeit in Zusammenhang stehen. Wir stellten die Hypothese auf, dass genikulokortikale Eingaben, die direkt auf den extrastriären Kortex abzielen, durch reziproke kortikogenetische Schaltkreise ergänzt werden sollten. Mithilfe virusvermittelter Schaltkreisverfolgung entdeckten wir kortikogenisierende Neuronen in drei Extrastriate-Bereichen mittlerer Ebene: MT, MST und V4. Quantitative morphologische Analysen ergaben ungleichmäßige Verteilungen einzigartiger Zelltypen über Gebiete hinweg. Viele extrastriate kortikogenetische Neuronen hatten eine stachelige Sternmorphologie, was auf ein mögliches Targeting koniozellulärer LGN-Schichten schließen lässt. Wichtig ist jedoch, dass in allen Gebieten mehrere morphologische Typen beobachtet wurden. Eine solche morphologische Vielfalt könnte auf parallele Ströme von V1-umgangenem kortikogenetischem Feedback auf mehreren Stufen der visuellen Verarbeitungshierarchie hinweisen. Darüber hinaus erfordert das Vorhandensein kortikogener Neuronen im gesamten visuellen Kortex eine Neubewertung des LGN als Drehscheibe für visuelle Informationen und nicht als einfache Weiterleitung. Thalamuskerne erster Ordnung sind in Feedforward- und Feedback-Richtung am stärksten mit dem primären sensorischen Kortex verbunden. Im visuellen System verbinden direkte Feedforward-Schaltkreise den visuellen Thalamus mit extrastriierten visuellen Bereichen höherer Ordnung, obwohl die Funktion dieser weniger verbreiteten Bahnen unbekannt bleibt. Hier demonstrieren wir zum ersten Mal das Vorhandensein komplementärer direkter Rückkopplungsverbindungen zwischen mehreren extrastriären visuellen kortikalen Bereichen und dem visuellen Thalamus im Gehirn von Primaten. Extrastriate kortikogene Schaltkreise sind zwar spärlich vorhanden, enthalten aber morphologisch unterschiedliche Neuronen, was auf parallele Ströme extrastriater Rückkopplung schließen lässt. Diese Ergebnisse deuten auf eine evolutionäre Erhaltung von Schaltkreisen hin, die Informationen aus der gesamten visuellen Verarbeitungshierarchie innerhalb des visuellen Thalamus integrieren.

Wang, H., Dey, O., Lagos, WN, Behnam, N., Callaway, EM, Stafford, BK Parallele Bahnen, die richtungs- und orientierungsselektive Netzhautsignale zur Schicht 4 des visuellen Kortex der Maus transportieren. (2024) Zellenberichte 43(3):113830. DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113830

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Zhang, LA, Li, P., Callaway, EM Hochauflösende laminare Identifizierung im primären visuellen Kortex von Makaken mithilfe von Neuropixel-Sonden. (2024) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2024.01.23.576944

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Zhou, J., Zhang, Z., Wu, M., Liu, H., Pang, Y., Bartlett, A., Peng, Z., Ding, W., Rivkin, A., Lagos, WN, Williams , E., Lee, CT, Miyazaki, PA, Aldridge, A., Zeng, Q., Salinda, JLA, Claffey, N., Liem, M., Fitzpatrick, C., Boggeman, L., Yao, Z. , Smith, KA, Tasic, B., Altshul, J., Kenworthy, MA, Valadon, C., Nery, JR, Castanon, RG, Patne, NS, Vu, M., Rashid, M., Jacobs, M. , Ito, T., Osteen, J., Emerson, N., Lee, J., Cho, S., Rink, J., Huang, HH, Pinto-Duartec, A., Dominguez, B., Smith, JB , O'Connor, C., Zeng, H., Chen, S., Lee, KF, Mukamel, EA, Jin, X., Margarita Behrens, M., Ecker, JR, Callaway, EM Gehirnweite Korrespondenz neuronaler Epigenomik und Fernprojektionen. (2023) Natur. 624(7991):355-365. DOI: 10.1038/s41586-023-06823-w

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Zemke, NR, Armand, EJ, Wang, W., Lee, S., Zhou, J., Li, YE, Liu, H., Tian, W., Nery, JR, Castanon, RG, Bartlett, A., Osteen, JK, Li, D., Zhuo, X., Xu, V., Chang, L., Dong, K., Indralingam, HS, Rink, JA, Xie, Y., Miller, M., Krienen, FM , Zhang, Q., Taskin, N., Ting, J., Feng, G., McCarroll, SA, Callaway, EM, Wang, T., Lein, ES, Behrens, MM, Ecker, JR, Ren, B. Konservierte und divergente Genregulationsprogramme des Neokortex von Säugetieren. (2023) Natur. 624(7991):390-402. DOI: 10.1038/s41586-023-06819-6

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Patiño, M., Lagos, WN, Patne, NS, Miyazaki, PA, Bhamidipati, SK, Collman, F., Callaway, EM Der postsynaptische Zelltyp und der synaptische Abstand bestimmen nicht die Effizienz der Ausbreitung des monosynaptischen Tollwutvirus, gemessen bei synaptischer Auflösung. (2023) Elife. 12. DOI: 10.7554/eLife.89297

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Die retrograde monosynaptische Verfolgung mithilfe des Glykoprotein-deletierten Tollwutvirus ist ein wichtiger Bestandteil des Toolkits zur Untersuchung der Struktur und Konnektivität neuronaler Schaltkreise. Es ermöglicht die Identifizierung präsynaptischer Verbindungen erster Ordnung zu interessierenden Zellpopulationen im zentralen und peripheren Nervensystem und trägt dazu bei, die komplexen Konnektivitätsmuster neuronaler Netzwerke zu entschlüsseln, die die Gehirnfunktion auslösen. Trotz ihres Nutzens sind die Faktoren, die die Wahrscheinlichkeit einer transsynaptischen Tollwutausbreitung beeinflussen, nicht gut verstanden. Obwohl allgemein bekannt ist, dass die Expressionsniveaus des Tollwut-Glykoproteins, das zur Transkomplementierung G-deletierter Tollwut verwendet wird, zu großen Veränderungen in der Anzahl der markierten Inputs pro Starterzelle (Konvergenzindex [CI]) führen können, ist nicht bekannt, wie typisch die CI-Werte sind beziehen sich auf die Anteile der markierten synaptischen Kontakte oder Eingabeneuronen. Und es ist nicht bekannt, ob Eingaben in verschiedene Zelltypen oder synaptische Kontakte, die eher proximal oder distal des Zellkörpers liegen, mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten gekennzeichnet werden. Hier verwenden wir ein neues Tollwutvirus-Konstrukt, das die gleichzeitige Markierung prä- und postsynaptischer Spezialisierungen ermöglicht, um den Anteil der markierten synaptischen Kontakte im primären visuellen Kortex der Maus zu quantifizieren. Wir zeigen, dass bei typischen Erkrankungen etwa 40 % der präsynaptischen erregenden Synapsen erster Ordnung zu kortikalen erregenden und hemmenden Neuronen markiert sind. Wir zeigen, dass bei Verwendung angepasster Verfolgungsbedingungen ähnliche Anteile markierter Kontakte auf L4-Starterzelltypen mit exzitatorischen Pyramiden, Somatostatin (Sst) und vasoaktiven intestinalen Peptiden (Vip) bestehen. Darüber hinaus finden wir keinen Unterschied im Anteil der markierten erregenden Kontakte an postsynaptischen Stellen an verschiedenen subzellulären Stellen.

Jorstad, NL, Close, J., Johansen, N., Yanny, AM, Barkan, ER, Travaglini, KJ, Bertagnolli, D., Campos, J., Casper, T., Crichton, K., Dee, N. , Ding, SL, Gelfand, E., Goldy, J., Hirschstein, D., Kiick, K., Kroll, M., Kunst, M., Lathia, K., Long, B., Martin, N., McMillen, D., Pham, T., Rimorin, C., Ruiz, A., Shapovalova, N., Shehata, S., Siletti, K., Somasundaram, S., Sulc, J., Tieu, M., Torkelson, A., Tung, H., Callaway, EM, Hof, PR, Keene, CD, Levi, BP, Linnarsson, S., Mitra, PP, Smith, K., Hodge, RD, Bakken, TE, Lein, ES Die transkriptomische Zytoarchitektur enthüllt Prinzipien der menschlichen Neocortex-Organisation. (2023) Science. 382(6667):eadf6812. DOI: 10.1126/science.adf6812

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Klug, JR, Yan, X., Hoffman, HA, Engelhardt, MD, Osakada, F., Callaway, EM, Jin, X. Asymmetrische kortikale Projektionen auf direkte und indirekte Striatalbahnen steuern die Aktionen eindeutig. (2023) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2023.10.02.560589

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Wang, H., Dey, O., Lagos, WN, Behnam, N., Callaway, EM, Stafford, BK Parallele Bahnen, die richtungs- und orientierungsselektive Netzhautsignale zur Schicht 4 des visuellen Kortex der Maus übertragen. (2023) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2023.09.18.558281

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Parallele funktionelle und anatomische Sehbahnen von der Netzhaut zum primären visuellen Kortex (V1) über den Nucleus geniculatum laterale (LGN) sind bei vielen Säugetierarten üblich, darunter Mäuse, Fleischfresser und Primaten. Allerdings lässt die viel größere Anzahl von retinalen Ganglienzelltypen (RGC), die auf das LGN projizieren, sowie die begrenztere Laminierung sowohl des LGN als auch der Thalamokortikalis-Empfängerschicht 4 (L4) bei Mäusen erhebliche Unsicherheit darüber, welches Bild sichtbar ist Merkmale, die sowohl in der Netzhaut als auch in V1 vorhanden sind, könnten von parallelen Bahnen geerbt und nicht von V1-Schaltkreisen im visuellen System der Maus extrahiert werden. Hier haben wir die Beziehungen zwischen funktionellen Eigenschaften von L4-V1-Neuronen und ihren RGC-Eingängen untersucht, indem wir zwei Cre-exprimierende Mauslinien – Nr5a1-Cre und Scnn1a-Tg3-Cre – genutzt haben, die jeweils funktionell und anatomisch unterschiedliche Populationen von L4-Neuronen markieren. Die visuellen Abstimmungseigenschaften von L4-V1-Neuronen wurden mithilfe der Cre-abhängigen Expression von GCaMP6s und anschließender 2-Photonen-Kalziumbildgebung bewertet. RGCs, die Eingaben für diese Neuronen bereitstellen (über LGN), wurden mithilfe einer Cre-abhängigen transsynaptischen retrograden Markierung mit G-deletiertem Tollwutvirus markiert und charakterisiert. Wir finden signifikante Unterschiede in der Abstimmung von Nr5a1-Cre- und Scnn1a-Tg3-Cre-Neuronen hinsichtlich Richtung, Orientierung, räumlicher Frequenz, zeitlicher Frequenz und Geschwindigkeit. Bemerkenswerterweise verfügte eine Teilmenge der RGCs über Abstimmungseigenschaften, die mit den Richtungs- und Orientierungsabstimmungseigenschaften der L4-V1-Neuronen übereinstimmten, denen sie Eingaben lieferten. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Richtungs- und Orientierungsabstimmung von V1-Neuronen zumindest teilweise von parallelen Bahnen geerbt wird, die ihren Ursprung in der Netzhaut haben.

Zemke, NR, Armand, EJ, Wang, W., Lee, S., Zhou, J., Li, YE, Liu, H., Tian, W., Nery, JR, Castanon, RG, Bartlett, A., Osteen, JK, Li, D., Zhuo, X., Xu, V., Miller, M., Krienen, FM, Zhang, Q., Taskin, N., Ting, J., Feng, G., McCarroll, SA, Callaway, EM, Wang, T., Behrens, MM, Lein, ES, Ecker, JR, Ren, B. Vergleichende epigenomische Einzelzellanalyse von Genregulationsprogrammen im Neocortex von Nagetieren und Primaten. (2023) bioRxiv. DOI: 10.1101 / 2023.04.08.536119

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Fischer, KB, Collins, HK, Pang, Y., Roy, DS, Zhang, Y., Feng, G., Li, SJ, Kepecs, A., Callaway, EM Monosynaptische Restriktion des anterograden Herpes-simplex-Virusstamms H129 zur Verfolgung neuronaler Schaltkreise. (2023) Journal für vergleichende Neurologie. DOI: 10.1002/cne.25451

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Li, P., Garg, AK, Zhang, LA, Rashid, MS, Callaway, EM Funktionsdomänen des Zapfengegners im primären visuellen Kortex kombinieren Signale für Farberscheinungsmechanismen. (2022) Nature Communications. 13(1):6344. DOI: 10.1038/s41467-022-34020-2

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Wang, H., Dey, O., Lagos, WN, Callaway, EM Vielfalt in der räumlichen Frequenz, der zeitlichen Frequenz und der Geschwindigkeitsabstimmung in den visuellen kortikalen Bereichen und Schichten der Maus. (2022) Journal für vergleichende Neurologie. DOI: 10.1002/cne.25404

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Das visuelle System der Maus besteht aus mehreren visuellen kortikalen Bereichen, von denen man annimmt, dass sie auf unterschiedliche visuelle Merkmale und/oder Aufgaben spezialisiert sind. Frühere Studien haben Unterschiede zwischen dem primären visuellen Kortex (V1) und anderen höheren visuellen Bereichen, nämlich anterolateral (AL) und posteromedial (PM), sowie deren Abstimmungspräferenzen hinsichtlich räumlicher und zeitlicher Frequenz gezeigt. Diese Unterschiede wurden jedoch hauptsächlich mithilfe von Methoden charakterisiert, die auf oberflächliche Schichten des Kortex ausgerichtet sind, wie beispielsweise der Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung. Weniger Studien haben Zelltypen in tieferen Schichten dieser Bereiche und ihre Abstimmungspräferenzen untersucht. Da bekannt ist, dass oberflächliche und tiefschichtige Neuronen sowie verschiedene Arten von tiefschichtigen Neuronen unterschiedliche Feedforward- und Feedback-Ein- und -Ausgänge haben, ist ein Vergleich der Abstimmungspräferenzen dieser Gruppen wichtig für das Verständnis der kortikalen visuellen Informationsverarbeitung. In dieser Studie verwendeten wir extrazelluläre Elektrophysiologie und Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, die auf zwei verschiedene Zellklassen der Schicht 5 abzielten, um deren Abstimmungseigenschaften in V1, AL und PM zu charakterisieren. Wir stellen fest, dass Neuronen in tiefen Schichten, ähnlich wie Neuronen in oberflächlichen Schichten, auch auf unterschiedliche räumliche und zeitliche Frequenzen spezialisiert sind, wobei die stärksten Unterschiede zwischen AL und V1 sowie AL und PM, nicht jedoch zwischen V1 und PM, bestehen. Wir stellen jedoch fest, dass die Neuronenpopulationen der tiefen Schichten im Vergleich zu früheren Studien eine größere Auswahl an SFs und TFs bevorzugten. Wir stellen außerdem fest, dass extratelenzephal projizierende Schicht-5-Neuronen richtungsselektiver sind als intratelenzephal projizierende Schicht-5-Neuronen.

Zhang, Y., Roy, DS, Zhu, Y., Chen, Y., Aida, T., Hou, Y., Shen, C., Lea, NE, Schroeder, ME, Skaggs, KM, Sullivan, HA, Fischer, KB, Callaway, EM, Wickersham, IR, Dai, J., Li, XM, Lu, Z., Feng, G. Die gezielte Behandlung von Thalamusschaltkreisen behebt motorische und stimmungsbedingte Defizite bei PD-Mäusen. (2022) Natur. DOI: 10.1038 / s41586-022-04806-x

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Patiño, M., Lagos, WN, Patne, NS, Tasic, B., Zeng, H., Callaway, EM Einzelzell-Transkriptomklassifizierung tollwutinfizierter kortikaler Neuronen. (2022) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 119(22):e2203677119. DOI: 10.1073/pnas.2203677119

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Cook, JR, Li, H., Nguyen, B., Huang, HH, Mahdavian, P., Kirchgessner, MA, Strassmann, P., Engelhardt, M., Callaway, EM, Jin, X. Der sekundäre auditorische Kortex vermittelt einen sensomotorischen Mechanismus für die zeitliche Abstimmung von Aktionen. (2022) Nature Neurologie. 25(3):330-344. DOI: 10.1038/s41593-022-01025-5

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Liu, H., Zhou, J., Tian, W., Luo, C., Bartlett, A., Aldridge, A., Lucero, J., Osteen, JK, Nery, JR, Chen, H., Rivkin, A., Castanon, RG, Clock, B., Li, YE, Hou, X., Poirion, OB, Preissl, S., Pinto-Duarte, A., O'Connor, C., Boggeman, L., Fitzpatrick , C., Nunn, M., Mukamel, EA, Zhang, Z., Callaway, EM, Ren, B., Dixon, JR, Behrens, MM, Ecker, JR DNA-Methylierungsatlas des Mausgehirns in Einzelzellauflösung. (2021) Natur. 598(7879):120-128. DOI: 10.1038/s41586-020-03182-8

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Gehirnzellen von Säugetieren weisen eine bemerkenswerte Vielfalt in Genexpression, Anatomie und Funktion auf, doch die regulatorische DNA-Landschaft, die dieser umfangreichen Heterogenität zugrunde liegt, ist kaum verstanden. Hier führen wir eine umfassende Bewertung der Epigenome von Mausgehirnzelltypen durch, indem wir Einzelkern-DNA-Methylierungssequenzierung anwenden, um 103,982 Kerne (einschließlich 95,815 Neuronen und 8,167 nicht-neuronale Zellen) aus 45 Regionen des Mauskortex, des Hippocampus, des Striatums zu profilieren. Pallidum und olfaktorische Bereiche. Wir haben 161 Zellcluster mit unterschiedlichen räumlichen Standorten und Projektionszielen identifiziert. Wir haben Taxonomien dieser epigenetischen Typen erstellt, versehen mit Signaturgenen, regulatorischen Elementen und Transkriptionsfaktoren. Diese Merkmale weisen auf die potenzielle regulatorische Landschaft hin, die die Zuordnung mutmaßlicher Zelltypen unterstützt, und offenbaren die wiederholte Verwendung von Regulatoren in erregenden und hemmenden Zellen zur Bestimmung von Subtypen. Die DNA-Methylierungslandschaft erregender Neuronen im Kortex und Hippocampus variierte kontinuierlich entlang räumlicher Gradienten. Mithilfe dieses umfassenden Datensatzes haben wir ein künstliches neuronales Netzwerkmodell erstellt, das die Zelltypidentität einzelner Neuronen und die räumliche Lage des Gehirnbereichs präzise vorhersagt. Die Integration hochauflösender DNA-Methylome mit Daten zur Zugänglichkeit von Einzelkernchromatin ermöglichte die Vorhersage hochsicherer Enhancer-Gen-Wechselwirkungen für alle identifizierten Zelltypen, die anschließend durch zelltypspezifische Experimente zur Erfassung der Chromatinkonformation validiert wurden. Durch die Kombination multiomischer Datensätze (DNA-Methylierung, Chromatinkontakte und offenes Chromatin) aus einzelnen Zellkernen und der Annotation des regulatorischen Genoms von Hunderten von Zelltypen im Gehirn von Mäusen legt unser DNA-Methylierungsatlas die epigenetische Grundlage für die gesamte neuronale Diversität und räumliche Organisation fest das Großhirn der Maus.

Zhang, Z., Zhou, J., Tan, P., Pang, Y., Rivkin, AC, Kirchgessner, MA, Williams, E., Lee, CT, Liu, H., Franklin, AD, Miyazaki, PA, Bartlett, A., Aldridge, AI, Vu, M., Boggeman, L., Fitzpatrick, C., Nery, JR, Castanon, RG, Rashid, M., Jacobs, MW, Ito-Cole, T., O' Connor, C., Pinto-Duartec, A., Dominguez, B., Smith, JB, Niu, SY, Lee, KF, Jin, X., Mukamel, EA, Behrens, MM, Ecker, JR, Callaway, EM Epigenomische Diversität kortikaler Projektionsneuronen im Gehirn von Mäusen. (2021) Natur. 598(7879):167-173. DOI: 10.1038/s41586-021-03223-w

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Neuronale Zelltypen werden klassischerweise durch ihre molekularen Eigenschaften, Anatomie und Funktionen definiert. Obwohl jüngste Fortschritte in der Einzelzellgenomik zu einer hochauflösenden molekularen Charakterisierung der Zelltypvielfalt im Gehirn geführt haben, werden neuronale Zelltypen häufig im Kontext ihrer anatomischen Eigenschaften untersucht. Um unser Verständnis der Beziehung zwischen molekularen und anatomischen Merkmalen, die kortikale Neuronen definieren, zu verbessern, haben wir hier retrograde Markierung mit Einzelkern-DNA-Methylierungssequenzierung kombiniert, um neuronale epigenomische Eigenschaften mit Projektionen zu verknüpfen. Wir untersuchten 11,827 einzelne neokortikale Neuronen aus 63 kortiko-kortikalen und kortiko-subkortikalen Fernprojektionen. Unsere Ergebnisse zeigten einzigartige epigenetische Signaturen von Projektionsneuronen, die ihrer laminaren und regionalen Lage und ihren Projektionsmustern entsprechen. Auf der Grundlage ihrer Epigenome konnten intratelenzephale Zellen, die auf verschiedene kortikale Ziele projizieren, weiter unterschieden werden, und einige Neuronen der Schicht 5, die auf extratelenzephale Ziele projizieren (L5 ET), bildeten separate Cluster, die an ihren axonalen Projektionen ausgerichtet waren. Diese Trennung variierte zwischen kortikalen Bereichen, was darauf hindeutet, dass es bereichsspezifische Unterschiede bei den L5-ET-Subtypen gibt, die durch anatomische Studien weiter validiert wurden. Bemerkenswert ist, dass eine Population von kortiko-kortikalen Projektionsneuronen eher mit L5-ET-Neuronen als mit intratelenzephalen Neuronen geclustert ist, was darauf hindeutet, dass eine Population von L5-ET-kortikalen Neuronen auf beide Ziele projiziert. Wir verifizierten die Existenz dieser Neuronen durch doppelte retrograde Markierung und anterograde Verfolgung kortikokortikaler Projektionsneuronen, die Axonterminals in extratelenzephalen Zielen, einschließlich Thalamus, Colliculus superior und Pons, aufdeckten. Diese Ergebnisse unterstreichen die Leistungsfähigkeit epigenomischer Einzelzellansätze, die molekularen Eigenschaften von Neuronen mit ihren anatomischen und Projektionseigenschaften zu verbinden.

Kirchgessner, MA, Franklin, AD, Callaway, EM Deutliche „treibende“ versus „modulatorische“ Einflüsse verschiedener visueller kortikothalamischer Bahnen. (2021) Aktuelle Biologie DOI: 10.1016/j.cub.2021.09.025

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Faulkner, RL, Wall, NR, Callaway, EM, Cline, HT Anwendung des rekombinanten Tollwutvirus auf das Gehirn von Xenopus-Kaulquappen. (2021) eNeuro. DOI: 10.1523/ENEURO.0477-20.2021

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Das Experimentalsystem Xenopus laevis hat wichtige Einblicke in die Entwicklung und Plastizität neuronaler Schaltkreise geliefert. Die neurowissenschaftliche Forschung von Xenopus würde durch zusätzliche Tools zur Untersuchung der Struktur und Funktion neuronaler Schaltkreise erweitert. Tollwutviren sind leistungsstarke Werkzeuge zur Markierung und Manipulation neuronaler Schaltkreise und werden häufig zur Untersuchung der mesoskaligen Konnektomik eingesetzt. Ob das Tollwutvirus zur Transduktion von Neuronen und zur Expression von Transgenen in Xenopus verwendet werden kann, wurde nicht systematisch untersucht. Das Glykoprotein-deletierte Tollwutvirus transduziert Neuronen am Axonterminal und markiert deren Zellkörper retrograd. Wir zeigen, dass das Glykoprotein-deletierte Tollwutvirus lokale und Projektionsneuronen in der Xenopus-Kaulquappe infiziert, wenn es direkt in Gehirngewebe injiziert wird. Die Pseudotypisierung Glykoprotein-deletierter Tollwut mit EnvA beschränkt die Infektion auf Zellen mit exogener Expression des EnvA-Rezeptors TVA. Das pseudotypisierte EnvA-Virus infiziert spezifisch Kaulquappenneuronen mit der promotorgesteuerten Expression von TVA und demonstriert damit seine Nützlichkeit zur Markierung gezielter neuronaler Populationen. Neuronale Zelltypen werden durch eine Kombination von Merkmalen definiert, darunter anatomische Lage, Expression genetischer Marker, Axonprojektionsorte, Morphologie und physiologische Eigenschaften. Wir zeigen, dass die Förderung der TVA-Expression in einer Hemisphäre und die Injektion des pseudotypisierten EnvA-Virus in die kontralaterale Hemisphäre Neuronen retrograd markiert, die durch die Zellkörperposition und die Axonprojektionsstelle definiert sind. Mit diesem Ansatz können Tollwutzellen zur Identifizierung von Zelltypen im Xenopus-Gehirn und gleichzeitig zur Expression von Transgenen genutzt werden, die die Überwachung oder Manipulation neuronaler Aktivität ermöglichen. Dies macht Tollwut zu einem wertvollen Instrument zur Untersuchung der Struktur und Funktion neuronaler Schaltkreise bei Xenopus. Studien an Xenopus haben viel zu unserem Verständnis der Entwicklung und Plastizität von Gehirnschaltkreisen, der Regeneration und der hormonellen Regulierung von Verhalten und Metamorphose beigetragen. Hier zeigen wir, dass rekombinantes Tollwutvirus Neuronen in der Xenopus-Kaulquappe transduziert, was den Werkzeugkasten erweitert, der für die Untersuchung des Xenopus-Gehirns eingesetzt werden kann. Tollwut kann zur retrograden Markierung und Expression einer breiten Palette von Transgenen verwendet werden, darunter fluoreszierende Proteine zur anatomischen Verfolgung und Untersuchung der neuronalen Morphologie, Spannungs- oder Kalziumindikatoren zur Visualisierung der neuronalen Aktivität und foto- oder chemosensitive Kanäle zur Steuerung der neuronalen Aktivität. Die Vielseitigkeit dieser Werkzeuge ermöglicht vielfältige Experimente zur Analyse und Manipulation der Gehirnstruktur und -funktion von Xenopus, einschließlich der mesoskaligen Konnektivität.

Abbott, LF, Bock, DD, Callaway, EM, Denk, W., Dulac, C., Fairhall, AL, Fiete, I., Harris, KM, Helmstaedter, M., Jain, V., Kasthuri, N., LeCun, Y., Lichtman, JW, Littlewood, PB, Luo, L., Maunsell, JHR, Reid, RC, Rosen, BR, Rubin, GM, Sejnowski, TJ, Seung, HS, Svoboda, K., Tank, DW, Tsao, D., Van Essen, DC Der Geist einer Maus. (2020) Zelle 182(6):1372-1376. DOI: 10.1016/j.cell.2020.08.010

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Yang, CF, Kim, EJ, Callaway, EM, Feldman, JL Monosynaptische Projektionen auf erregende und hemmende Neuronen des Prä-Bötzinger-Komplexes. (2020) Grenzen der Neuroanatomie. 14:58. DOI: 10.3389/fnana.2020.00058

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Kim, EJ, Zhang, Z., Huang, L., Ito-Cole, T., Jacobs, MW, Juavinett, AL, Senturk, G., Hu, M., Ku, M., Ecker, JR, Callaway, EM Extraktion unterschiedlicher neuronaler Zelltypen aus einer genetisch kontinuierlichen Population. (2020) Neuron. DOI: 10.1016 / j.neuron.2020.04.018

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Kirchgessner, MA, Franklin, AD, Callaway, EM Kontextabhängiger und dynamischer funktioneller Einfluss kortikothalamischer Bahnen auf den visuellen Thalamus erster und höherer Ordnung. (2020) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. DOI: 10.1073 / pnas.2002080117

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Fischer, KB, Collins, HK, Callaway, EM Quellen der Off-Target-Expression von Rekombinase-abhängigen AAV-Vektoren und Abschwächung durch Crossover-unempfindliche ATG-out-Vektoren. (2019) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 116(52):27001–27010. DOI: 10.1073/pnas.1915974116

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Hafner, G., Witte, M., Guy, J., Subhashini, N., Fenno, LE, Ramakrishnan, C., Kim, YS, Deisseroth, K., Callaway, EM, Oberhuber, M., Conzelmann, KK, Staiger, JF Die Kartierung hirnweiter afferenter Eingaben von Parvalbumin-exprimierenden GABAergen Neuronen im Barrel Cortex enthüllt lokale und weitreichende Schaltungsmotive. (2019) Zellenberichte 28(13):3450-3461.e8. DOI: 10.1016/j.celrep.2019.08.064

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Juavinett, AL, Kim, EJ, Collins, HC, Callaway, EM Eine systematische topografische Beziehung zwischen lateralen hinteren Thalamusneuronen der Maus und ihren visuellen kortikalen Projektionszielen. (2019) Journal für vergleichende Neurologie. 528(1):95-107. DOI: 10.1002/cne.24737

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Garg, AK, Li, P., Rashid, MS, Callaway, EM Farbe und Orientierung werden im primären visuellen Kortex von Primaten gemeinsam kodiert und räumlich organisiert. (2019) Science. 364(6447):1275-1279. DOI: 10.1126/science.aaw5868

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McBride, EG, Lee, SJ, Callaway, EM Lokale und globale Einflüsse der visuellen räumlichen Auswahl und Fortbewegung im primären visuellen Kortex der Maus. (2019) Aktuelle Biologie 29(10):1592-1605. DOI: 10.1016/j.cub.2019.03.065

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Sensorische Auswahl und Bewegung modulieren lokal und global neuronale Reaktionen auf scheinbar ähnliche Weise. Beispielsweise verstärkt die Fortbewegung die visuellen Reaktionen im primären visuellen Kortex der Maus (V1), was den Auswirkungen der räumlichen Aufmerksamkeit auf die visuelle kortikale Aktivität von Primaten ähnelt. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen diesen lokalen und globalen Mechanismen und die daraus resultierenden Auswirkungen auf das Wahrnehmungsverhalten noch weitgehend unbekannt. Hier beschreiben wir eine neuartige visuelle räumliche Selektionsaufgabe für Mäuse, bei der Tiere entweder einen von zwei Orten auf eine Kontraständerung überwachen („selektive Mäuse“) oder beide überwachen („nicht selektive Mäuse“) und nach Belieben laufen können. Selektive Mäuse funktionieren nur dann gut, wenn sich ihr ausgewählter Reiz ändert, was zu lokalen elektrophysiologischen Veränderungen in der entsprechenden Hemisphäre von V1 führt, einschließlich verringerter Rauschkorrelationen und erhöhter visueller Informationen. Nicht-selektive Mäuse funktionieren gut, wenn sich einer der Reize ändert, was zu globalen Veränderungen in beiden Hemisphären von V1 führt. Während der Fortbewegung weisen selektive Mäuse eine schlechtere Verhaltensleistung, erhöhte Rauschkorrelationen in V1 und verringerte visuelle Informationen auf, während nicht-selektive Mäuse verringerte Rauschkorrelationen in V1, aber keine Änderung der Leistung oder der visuellen Informationen aufweisen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mäuse visuelle Informationen lokal oder global verbessern können, die Interaktion des globalen Effekts der Fortbewegung mit lokaler Selektion jedoch die Verhaltensleistung beeinträchtigt. In Zukunft wird dieses Mausmodell zukünftige Studien zu lokalen und globalen sensorischen Modulationsmechanismen und ihren Auswirkungen auf das Verhalten erleichtern.

Bennett, C., Gale, SD, Garrett, ME, Newton, ML, Callaway, EM, Murphy, GJ, Olsen, SR Thalamusschaltkreise höherer Ordnung kanalisieren parallele Ströme visueller Informationen bei Mäusen. (2019) Neuron. 102(2):477-492. DOI: 10.1016/j.neuron.2019.02.010

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Padmanabhan, K., Osakada, F., Tarabrina, A., Kizer, E., Callaway, EM, Gage, FH, Sejnowski, TJ Zentrifugale Eingaben in den Haupt-Riechkolben werden durch die Kartierung der Schaltkreise des gesamten Gehirns aufgedeckt. (2019) Grenzen der Neuroanatomie. 12:115. DOI: 10.3389/fnana.2018.00115

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Yetman, MJ, Washburn, E., Hyun, JH, Osakada, F., Hayano, Y., Zeng, H., Callaway, EM, Kwon, HB, Taniguchi, H. Intersektionale monosynaptische Verfolgung zur Analyse der subtypspezifischen Organisation GABAerger Interneuron-Eingänge. (2019) Nature Neurologie. 22:492-502. DOI: 10.1038/s41593-018-0322-y

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Dhande, OS, Stafford, BK, Franke, K., El-Danaf, R., Percival, KA, Phan, AH, Li, P., Hansen, BJ, Nguyen, PL, Berens, P., Taylor, WR, Callaway, E., Euler, T., Huberman, AD Molekularer Fingerabdruck von richtungsselektiven Ein-Aus-Ganglienzellen der Netzhaut verschiedener Arten und Relevanz für die visuellen Schaltkreise von Primaten. (2018) Journal of Neuroscience. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1784-18.2018

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Die Fähigkeit, sich bewegende Objekte zu erkennen, ist eine ethologisch herausragende Funktion. Richtungsselektive Neuronen wurden in der Netzhaut, im Thalamus und im Kortex vieler Arten identifiziert, ihre Homologie blieb jedoch unklar. Beispielsweise ist nicht bekannt, ob richtungsselektive retinale Ganglienzellen (DSGCs) in Primaten existieren und wenn ja, ob sie den DSGCs von Mäusen und Kaninchen entsprechen. Hier verwendeten wir bei beiden Geschlechtern einen molekularen/Kreislauf-Ansatz, um diese Probleme anzugehen. Bei Mäusen identifizieren wir den Transkriptionsfaktor Satb2 (Special AT-rich sequence-binding protein 2) als selektiven Marker für drei RGC-Typen: On-Off-DSGCs, die Bewegung entweder in die vordere oder hintere Richtung kodieren, eine neu identifizierte Art von Off- DSGC und ein Off-sustained RGC-Typ. Bei Kaninchen stellen wir fest, dass die Expression von Satb2 in On-Off-DSGCs konserviert ist; Es hat sich jedoch weiterentwickelt, dass On-Off-DSGCs zusätzlich zur vorderen und hinteren Bewegung auch Aufwärts- und Abwärtsbewegungen kodieren. Als nächstes zeigen wir, dass Makaken-RGCs Satb2 höchstwahrscheinlich in einem einzigen Typ exprimieren. Wir verwendeten auf Tollwutviren basierende Schaltkreiskartierungstools, um die Identität von Makaken-Satb2-RGCs aufzudecken und stellten fest, dass ihre dendritischen Dorne relativ groß und monostratifiziert sind. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass Satb2-exprimierende On-Off-DSGCs wahrscheinlich nicht in der Netzhaut von Primaten vorhanden sind. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass DSGCs, wenn sie in der Netzhaut von Primaten vorhanden sind, Satb2 exprimieren. Die Fähigkeit, Objektbewegungen zu erkennen, ist ein grundlegendes Merkmal fast aller visuellen Systeme. Hier identifizieren wir einen neuartigen Marker für Ganglienzellen der Netzhaut, der Richtungsbewegungen kodiert und bei Mäusen und Kaninchen evolutionär konserviert ist, bei Primaten jedoch nicht. Wir zeigen, dass bei Makaken die retinalen Ganglienzellen, die diesen Marker exprimieren, einen einzigen Typ umfassen und sich morphologisch von richtungsselektiven retinalen Ganglienzellen von Mäusen und Kaninchen unterscheiden. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass richtungsselektive Ein-Aus-Neuronen der Netzhaut bei Primaten möglicherweise evolutionär divergiert haben und ganz allgemein neue Einblicke in die Identität und Organisation paralleler Sehbahnen von Primaten bieten.

Luo, L., Callaway, EM, Svoboda, K. Genetische Dissektion neuronaler Schaltkreise: Ein Jahrzehnt des Fortschritts. (2018) Neuron. 98(2):256-281. DOI: 10.1016/j.neuron.2018.03.040

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Callaway, EM, Garg, AK Gehirntechnologie: Neuronen massenhaft erfasst. (2017) Natur. 551(7679):172-173. DOI: 10.1038/551172a

Juavinett, AL, Nauhaus, I., Garrett, ME, Zhuang, J., Callaway, EM Automatisierte Identifizierung der visuellen Bereiche der Maus mit intrinsischer Signalbildgebung. (2017) Naturprotokolle. 12(1):32-43. DOI: 10.1038/nprot.2016.158

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Suzuki, K., Tsunekawa, Y., Hernandez-Benitez, R., Wu, J., Zhu, J., Kim, EJ, Hatanaka, F., Yamamoto, M., Araoka, T., Li, Z. , Kurita, M., Hishida, T., Li, M., Aizawa, E., Guo, S., Chen, S., Goebl, A., Soligalla, RD, Qu, J., Jiang, T., Fu, P., Zhang, K., Callaway, EM, Zhang, K., Belmonte, JC In-vivo-Genombearbeitung über CRISPR/Cas9 vermittelte homologieunabhängige gezielte Integration. (2016) Natur. 540(7631):144-149. DOI: 10.1038/nature20565

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Dimidschstein, J., Chen, Q., Tremblay, R., Rogers, SL, Saldi, GA, Guo, L., Xu, Q., Liu, R., Lu, C., Chu, J., Grimley, JS, Krostag, AR, Kaykas, A., Avery, MC, Rashid, MS, Baek, M., Jacob, AL, Smith, GB, Wilson, DE, Kosche, G., Kruglikov, I., Rusielewicz, T. , Kotak, VC, Mowery, TM, Anderson, SA, Callaway, EM, Dasen, JS, Fitzpatrick, D., Fossati, V., Long, MA, Noggle, S., Reynolds, JH, Sanes, DH, Rudy, B., Feng, G., Fishell, G. Eine virale Strategie zur gezielten Bekämpfung und Manipulation von Interneuronen bei verschiedenen Wirbeltierarten. (2016) Nature Neurologie. 19(12):1743-1749. DOI: 10.1038/nn.4430

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Xu, C., Krabbe, S., Gründemann, J., Botta, P., Fadok, JP, Osakada, F., Saur, D., Grewe, BF, Schnitzer, MJ, Callaway, EM, Lüthi, A. Unterschiedliche Wege im Hippocampus vermitteln dissoziierbare Kontextrollen beim Abrufen von Erinnerungen. (2016) Zelle 167(4):961-972. DOI: 10.1016/j.cell.2016.09.051

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Tian, J., Huang, R., Cohen, JY, Osakada, F., Kobak, D., Machens, CK, Callaway, EM, Uchida, N., Watabe-Uchida, M. Verteilte und gemischte Informationen in monosynaptischen Eingaben an Dopamin-Neuronen. (2016) Neuron. 91(6):1374-1389. DOI: 10.1016/j.neuron.2016.08.018

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Barth, L., Burkhalter, A., Callaway, EM, Connors, BW, Cauli, B., DeFelipe, J., Feldmeyer, D., Freund, T., Kawaguchi, Y., Kisvarday, Z., Kubota, Y., McBain, C., Oberlaender, M., Rossier, J., Rudy, B., Staiger, JF, Somogyi, P., Tamas, G., Yuste, R. Kommentar zu „Prinzipien der Konnektivität zwischen morphologisch definierten Zelltypen im adulten Neocortex“. (2016) Science. 353(6304):1108. DOI: 10.1126/science.aaf5663

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Smith, JB, Klug, JR, Ross, DL, Howard, CD, Hollon, NG, Ko, VI, Hoffman, H., Callaway, EM, Gerfen, CR, Jin, X. Genetisch basierte Dissektion enthüllt die Inputs und Outputs von Striatal-Patch- und Matrix-Kompartimenten. (2016) Neuron. 91(5):1069-1084. DOI: 10.1016/j.neuron.2016.07.046

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Nauhaus, I., Nielsen, KJ, Callaway, EM Effiziente rezeptive Feldkachelung in Primate V1. (2016) Neuron. 91(4):893-904. DOI: 10.1016/j.neuron.2016.07.015

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Padmanabhan, K., Osakada, F., Tarabrina, A., Kizer, E., Callaway, EM, Gage, FH, Sejnowski, TJ Vielfältige Darstellungen olfaktorischer Informationen in zentrifugalen Feedback-Projektionen. (2016) Journal of Neuroscience. 36(28):7535-45. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3358-15.2016

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Faget, L., Osakada, F., Duan, J., Ressler, R., Johnson, AB, Proudfoot, JA, Yoo, JH, Callaway, EM, Hnasko, TS Afferente Inputs zu Neurotransmitter-definierten Zelltypen im ventralen Tegmentalbereich. (2016) Zellenberichte 15(12):2796-2808. DOI: 10.1016/j.celrep.2016.05.057

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Kim, EJ, Jacobs, MW, Ito-Cole, T., Callaway, EM Verbesserte Verfolgung monosynaptischer neuronaler Schaltkreise mithilfe manipulierter Glykoproteine des Tollwutvirus. (2016) Zellenberichte 15(4):692-699. DOI: 10.1016/j.celrep.2016.03.067

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Wall, NR, De La Parra, M., Sorokin, JM, Taniguchi, H., Huang, ZJ, Callaway, EM Gehirnweite Karten des synaptischen Inputs zu kortikalen Interneuronen. (2016) Journal of Neuroscience. 36(14):4000-4009. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3967-15.2016

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Briggs, F., Kiley, CW, Callaway, EM, Usrey, WM Morphologische Substrate für parallele Ströme kortikogener Rückkopplung, die sowohl in V1 als auch in V2 des Makaken-Affen entstehen. (2016) Neuron. 90(2):388-399. DOI: 10.1016/j.neuron.2016.02.038

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Zarrinpar, A., Callaway, EM Funktioneller lokaler Input zu Schicht-5-Pyramidenneuronen im visuellen Kortex der Ratte. (2016) Cereb Kortex. 26(3):991-1003. DOI: 10.1093/cercor/bhu268

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Tuncdemir, SN, Wamsley, B., Stam, FJ, Osakada, F., Goulding, M., Callaway, EM, Rudy, B., Fishell, G. Frühe Somatostatin-Interneuron-Konnektivität vermittelt die Reifung tiefer kortikaler Schaltkreise. (2016) Neuron. 89(3):521-35. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.11.020

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Hasenstaub, A., Otte, S., Callaway, E. Zelltypspezifische Steuerung des Spike-Timings durch Gammaband-Oszillationshemmung. (2016) Cereb Kortex. 26(2):797-806. DOI: 10.1093/cercor/bhv044

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Kim, EJ, Juavinett, AL, Kyubwa, EM, Jacobs, MW, Callaway, EM Drei Arten kortikaler Schicht-5-Neuronen, die sich in der gehirnweiten Konnektivität und Funktion unterscheiden. (2015) Neuron. 88(6):1253-1267. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.11.002

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Callaway, EM, Luo, L. Monosynaptische Schaltkreisverfolgung mit Glykoprotein-deletierten Tollwutviren. (2015) Journal of Neuroscience. 35(24):8979-8985. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0409-15.2015

Juavinett, AL, Callaway, EM Muster- und Komponentenbewegungsreaktionen in visuellen kortikalen Bereichen der Maus. (2015) Aktuelle Biologie 25(13):1759-1764. DOI: 10.1016/j.cub.2015.05.028

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Izpisua Belmonte, JC, Callaway, EM, Caddick, SJ, Churchland, P., Feng, G., Homanics, GE, Lee, KF, Leopold, DA, Miller, CT, Mitchell, JF, Mitalipov, S., Moutri, AR, Movshon, JA, Okano, H., Reynolds, JH, Ringach, D., Sejnowski, TJ, Silva, AC, Strick, PL, Wu, J., Zhang, F. Gehirne, Gene und Primaten. (2015) Neuron. 86(3):617-31. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.03.021

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Li, PH, Gauthier, JL, Schiff, M., Sher, A., Ahn, D., Field, GD, Greschner, M., Callaway, EM, Litke, AM, Chichilnisky, EJ Anatomische Identifizierung extrazellulär aufgezeichneter Zellen in groß angelegten Multielektrodenaufzeichnungen. (2015) Journal of Neuroscience. 35(11):4663-4675. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3675-14.2015

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Garrett, ME, Nauhaus, I., Marshel, JH, Callaway, EM Topographie und räumliche Organisation des visuellen Kortex der Maus. (2014) Journal of Neuroscience. 34(37):12587-12600. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1124-14.2014

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Um zukünftige Experimente zum Verständnis des visuellen Systems der Maus zu leiten, ist es wichtig, dass wir die globale Topographie der visuellen kortikalen Bereiche gut im Griff haben. Im Idealfall ist die zur Messung der kortikalen Topographie verwendete Methode objektiv, robust und einfach genug, um die anschließende Ausrichtung auf visuelle Bereiche bei jedem Probanden zu ermöglichen. Wir haben eine automatisierte Methode entwickelt, die retinotopische Karten des visuellen Kortex der Maus verwendet, die mit intrinsischer Signalbildgebung erhalten wurden (Schuett et al., 2002; Kalatsky und Stryker, 2003; Marshel et al., 2011) und einen Algorithmus anwendet, um automatisch kortikale Regionen zu identifizieren, die diese Anforderungen erfüllen eine Reihe quantifizierbarer Kriterien dafür, was einen visuellen Bereich ausmacht. Dieser Ansatz erleichterte die detaillierte Parzellierung des visuellen Kortex der Maus, indem er neun bekannte Bereiche abgrenzte (primärer visueller Kortex, lateromedialer Bereich, anterolateraler Bereich, rostrolateraler Bereich, anteromedialer Bereich, posteromedialer Bereich, laterointermediärer Bereich, hinterer Bereich und postrhinaler Bereich) und zwei zusätzliche Bereiche aufdeckte die bisher bei Mäusen nicht als visuotopisch kartiert beschrieben wurden (laterolateraler vorderer Bereich und medialer Bereich). Anhand der topografischen Karten und definierten Gebietsgrenzen jedes Tieres haben wir verschiedene Merkmale der Kartenorganisation charakterisiert, einschließlich der Variabilität der Gebietsposition, der Gebietsgröße, der Gesichtsfeldabdeckung und der kortikalen Vergrößerung. Wir zeigen, dass höhere Bereiche bei Mäusen oft unvollständige oder auf bestimmte Bereiche des visuellen Raums ausgerichtete Darstellungen aufweisen, was auf Spezialisierungen für die Verarbeitung bestimmter Arten von Informationen über die Umgebung schließen lässt. Diese Arbeit bietet eine umfassende Beschreibung der visuotopischen Organisation von Mäusen und beschreibt wesentliche Werkzeuge für die genaue funktionelle Lokalisierung visueller Bereiche.

Ni, Y., Nawabi, H., Liu, X., Yang, L., Miyamichi, K., Tedeschi, A., Xu, B., Wall, NR, Callaway, EM, Er, Z. Charakterisierung langer absteigender prämotorischer propriospinaler Neuronen im Rückenmark. (2014) Journal of Neuroscience. 34(28):9404-9417. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1771-14.2014

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Cetin, A., Callaway, EM Optische Kontrolle retrograd infizierter Neuronen mithilfe medikamentenregulierter lentiviraler „TLoop“-Vektoren. (2014) Journal für Neurophysiologie. 111(10):2150-2159. DOI: 10.1152/jn.00495.2013

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Viele Ansätze, die virale Vektoren zur Übertragung von Transgenen verwenden, weisen eine begrenzte Transduktionseffizienz auf, erfordern jedoch ein hohes Maß an Transgenexpression. Insbesondere die Infektion über Axonterminals ist relativ ineffizient, stellt jedoch ein wirksames Mittel zur Infektion bestimmter Neuronentypen dar. Die Kombination mit optogenetischen Ansätzen erfordert hohe Genexpressionsniveaus, die mit ungiftigen retrograd infizierenden Vektoren normalerweise nicht erreicht werden. Wir haben Tollwut-Glykoprotein-pseudotypisierte lentivirale Vektoren generiert, die eine positive Rückkopplungsschleife verwenden, die aus einem Tet-Promotor besteht, der sowohl seinen eigenen Tetracyclin-abhängigen Transkriptionsaktivator (tTA) („TLoop“) als auch Channelrhodopsin-2-YFP (ChR2YFP) steuert. Wir zeigen, dass TLoop-Vektoren Proteine auf medikamentenkontrollierbare Weise in Neuronen stark exprimieren, die zu Injektionsstellen im Gehirn der Maus projizieren. Nach der Erstinfektion wandert das Virus retrograd, integriert sich stabil in das Wirtsgenom und exprimiert Genprodukte. Die Expression ist robust und ermöglicht optogenetische Studien von Neuronen, die zum Ort der Virusinjektion projizieren, wie durch fluoreszenzbasierte intrazelluläre Aufzeichnungen gezeigt. Die ChR2YFP-Expression verursachte keine erkennbaren Anzeichen einer Toxizität und hielt bis zu 6 Monate nach der Infektion an. Die Expression kann bei Bedarf durch die Verabreichung von Doxycyclin reversibel blockiert werden, um die Expression von Genprodukten zu ermöglichen, die möglicherweise toxischer sind. Insgesamt stellen wir ein System vor, das es Forschern ermöglicht, auch bei ineffizienter Virustransduktion ein hohes Maß an Genexpression zu erreichen. Die speziellen Vektoren, die wir demonstrieren, können die Bemühungen um ein genaues Verständnis der Beiträge bestimmter Arten von Projektionsneuronen zur Gehirnfunktion verbessern.

Sun, Y., Nguyen, AQ, Nguyen, JP, Le, L., Saur, D., Choi, J., Callaway, EM, Xu, X. Zelltypspezifische Schaltkreiskonnektivität von CA1 im Hippocampus, aufgedeckt durch Cre-abhängige Tollwutverfolgung. (2014) Zellenberichte 7(1):269-280. DOI: 10.1016/j.celrep.2014.02.030

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Cruz-Martín, A., El-Danaf, RN, Osakada, F., Sriram, B., Dhande, OS, Nguyen, PL, Callaway, EM, Ghosh, A., Huberman, AD Ein spezieller Schaltkreis verbindet richtungsselektive Ganglienzellen der Netzhaut mit dem primären visuellen Kortex. (2014) Natur. 507(7492):358-361. DOI: 10.1038/nature12989

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Wie bestimmte Merkmale der Umwelt im Gehirn dargestellt werden, ist eine wichtige unbeantwortete Frage in den Neurowissenschaften. Eine Untergruppe retinaler Neuronen, sogenannte richtungsselektive Ganglienzellen (DSGCs), ist auf die Erkennung von Bewegungen entlang bestimmter Achsen des Gesichtsfelds spezialisiert. Trotz umfangreicher Untersuchungen der Netzhautschaltkreise, die DSGCs ihre einzigartigen Abstimmungseigenschaften verleihen, sind ihre nachgeschalteten Schaltkreise im Gehirn und damit ihr Beitrag zur visuellen Verarbeitung unklar geblieben. Bei Mäusen verbinden sich mehrere verschiedene Arten von DSGCs mit dem dorsalen lateralen Kniehöcker (dLGN), der visuellen Thalamusstruktur, die kortikale Relaisneuronen beherbergt. Ob richtungsselektive Informationen, die auf der Ebene der Netzhaut berechnet werden, an kortikale Schaltkreise weitergeleitet und in andere visuelle Kanäle integriert werden, ist jedoch unbekannt. Hier zeigen wir, dass es einen disynaptischen Schaltkreis gibt, der DSGCs mit den oberflächlichen Schichten des primären visuellen Kortex (V1) verbindet, indem wir die Kartierung viraler transsynaptischer Schaltkreise und die funktionelle Bildgebung visuell gesteuerter Kalziumsignale in thalamokortikalen Axonen verwenden. Dieser Schaltkreis bündelt Informationen von mehreren Arten von DSGCs, konvergiert in einer speziellen Unterteilung des dLGN und liefert richtungs- und orientierungsabgestimmte Signale an oberflächliches V1. Bemerkenswert ist, dass dieser Schaltkreis anatomisch vom retino-genikulokortikalen Weg getrennt ist, der nicht richtungsabhängige visuelle Informationen zu tieferen Schichten von V1, wie z. B. Schicht 4, transportiert. Somit beherbergt die Maus mehrere funktionell spezialisierte, parallele retino-genikulokortikale Wege Eines davon stammt von retinalen DSGCs und liefert richtungs- und orientierungsabgestimmte Informationen speziell an die oberflächlichen Schichten des primären visuellen Kortex. Diese Daten liefern Hinweise darauf, dass die Richtungs- und Orientierungsselektivität einiger V1-Neuronen durch die Aktivierung von DSGCs beeinflusst werden kann.

Ruiz, O., Lustig, BR, Nassi, JJ, Cetin, A., Reynolds, JH, Albright, TD, Callaway, EM, Stoner, GR, Roe, AW Optogenetik durch Fenster im Gehirn des nichtmenschlichen Primaten. (2013) Journal für Neurophysiologie. 110(6):1455-67. DOI: 10.1152/jn.00153.2013

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Die Optogenetik kombiniert Optik und Genetik, um die neuronale Aktivität mit Zelltypspezifität und zeitlicher Präzision im Millisekundenbereich zu steuern. Seine Verwendung in Modellorganismen wie Nagetieren, Drosophila und Caenorhabditis elegans ist mittlerweile gut etabliert. Die Anwendung dieser Technologie bei nichtmenschlichen Primaten (NHPs) hat sich jedoch nur langsam entwickelt. Eine zentrale Herausforderung war die Übertragung von Viren und Licht auf das Gehirn durch die dicke Dura mater von NHPs, die nur mit Geräten mit großem Durchmesser durchdrungen werden kann, die das Gehirn schädigen. Die Undurchsichtigkeit der NHP-Dura verhindert die Visualisierung des darunter liegenden Kortex und schränkt die räumliche Präzision von Virusinjektionen, elektrophysiologischen Aufzeichnungen und Photostimulation ein. Hier beschreiben wir einen neuen optogenetischen Ansatz, bei dem die native Dura durch eine optisch transparente künstliche Dura ersetzt wird. Diese künstliche Dura kann mit feinen Mikropipetten aus Glas durchdrungen werden, was eine präzise gezielte Virusinjektion in das Gehirngewebe mit minimaler Schädigung der Hirnrinde ermöglicht. Die Expression optogenetischer Wirkstoffe kann über die Zeit visuell überwacht werden. Am wichtigsten ist, dass dieses optische Fenster eine gezielte, nichtinvasive Photostimulation und gleichzeitige Messungen der neuronalen Aktivität über intrinsische Signalbildgebung und elektrophysiologische Aufzeichnungen ermöglicht. Wir präsentieren Ergebnisse sowohl von anästhesiert-gelähmten (optische Bildgebung) als auch von wachen NHPs (Elektrophysiologie). Die durch die künstliche Dura ermöglichten Verbesserungen gegenüber aktuellen Methoden sollten den weit verbreiteten Einsatz optogenetischer Werkzeuge in der NHP-Forschung ermöglichen, ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Therapien für neuropsychiatrische und neurologische Erkrankungen beim Menschen.

Osakada, F., Callaway, EM Design und Erzeugung rekombinanter Tollwutvirus-Vektoren. (2013) Naturprotokolle. 8(8):1583-1601. DOI: 10.1038/nprot.2013.094

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Nienborg, H., Hasenstaub, A., Nauhaus, I., Taniguchi, H., Huang, ZJ, Callaway, EM Kontrastabhängigkeit und unterschiedliche Beiträge von Somatostatin- und Parvalbumin-exprimierenden Neuronen zur räumlichen Integration in Maus V1. (2013) Journal of Neuroscience. 33(27):11145-11154. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5320-12.2013

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Ein charakteristisches Merkmal des primären visuellen Kortex ist, dass visuelle Reaktionen unterdrückt werden, wenn ein Reiz über das klassische Rezeptionsfeld hinausgeht. Hier untersuchten wir die Rolle inhibitorischer Neuronen, die Somatostatin (SOM⁺) oder Parvalbumin (PV⁺) exprimieren, auf die Surround-Unterdrückung und die bevorzugte Größe des Empfangsfeldes. Wir haben die extrazelluläre Mehrkanalaktivität in V1 transgener Mäuse aufgezeichnet, die Channelrhodopsin in SOM⁺-Neuronen oder PV⁺-Neuronen exprimieren. Die bevorzugte Größe und Umgebungsunterdrückung wurden mithilfe driftender Rechteckgitter mit unterschiedlichen Radien und bei zwei Kontrasten gemessen. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen bei Primaten stellten wir fest, dass die bevorzugte Größe bei geringeren Kontrasten über alle kortikalen Tiefen hinweg größer war, wohingegen der Unterdrückungsindex (SI) tendenziell mit dem Kontrast abnahm. Anschließend untersuchten wir die Auswirkung dieser Metriken auf Einheiten, die durch Photoaktivierung von SOM⁺- oder PV⁺-Neuronen unterdrückt wurden. Bei der Aktivierung von SOM⁺-Neuronen stellten wir einen signifikanten Anstieg des SI in kortikalen Tiefen > 400 μm fest, wohingegen die Aktivierung von PV⁺-Neuronen unabhängig von der kortikalen Tiefe einen Trend zu niedrigeren SIs verursachte. Umgekehrt erhöhte die Aktivierung von PV⁺-Neuronen die bevorzugte Größe über alle kortikalen Tiefen hinweg signifikant, ähnlich wie eine Verringerung des Kontrasts, wohingegen die Aktivierung von SOM⁺-Neuronen keinen systematischen Einfluss auf die bevorzugte Größe über alle Tiefen hatte. Diese Daten legen nahe, dass SOM⁺- und PV⁺-Neuronen unterschiedlich zur räumlichen Integration beitragen. Unsere Ergebnisse sind mit der Annahme vereinbar, dass SOM⁺-Neuronen die Umgebungsunterdrückung vermitteln, insbesondere im tieferen Kortex, während die PV⁺-Aktivierung den Antrieb des Inputs zum Kortex verringert und daher den Auswirkungen einer Verringerung des Kontrasts auf die räumliche Integration ähnelt.

Wall, NR, De La Parra, M., Callaway, EM, Kreitzer, AC Differenzielle Innervation von striatalen Projektionsneuronen mit direktem und indirektem Weg. (2013) Neuron. 79(2):347-360. DOI: 10.1016/j.neuron.2013.05.014

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Li, Y., Stam, FJ, Aimone, JB, Goulding, M., Callaway, EM, Gage, FH Mit dem Perforationspfad assoziierte Zellen der Molekülschicht tragen zur Feed-Forward-Hemmung im adulten Gyrus dentatus bei. (2013) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 110(22):9106-11. DOI: 10.1073/pnas.1306912110

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Yin, L., Geng, Y., Osakada, F., Sharma, R., Cetin, AH, Callaway, EM, Williams, DR, Merigan, WH Abbildung der Lichtreaktionen retinaler Ganglienzellen im lebenden Mausauge. (2013) Journal für Neurophysiologie. 109(9):2415-2421. DOI: 10.1152/jn.01043.2012

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Nauhaus, I., Nielsen, KJ, Disney, AA, Callaway, EM Orthogonale Mikroorganisation von Orientierung und räumlicher Frequenz im primären visuellen Kortex von Primaten. (2012) Nature Neurologie. 15(12):1683-1690. DOI: 10.1038/nn.3255

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Marshel, JH, Kaye, AP, Nauhaus, I., Callaway, EM Anterior-posterior-Richtungsgegensatz im oberflächlichen Nucleus geniculatum laterale der Maus. (2012) Neuron. 76(4):713-720. DOI: 10.1016/j.neuron.2012.09.021

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Callaway, EM, Marder, E. Gemeinsame Merkmale verschiedener Schaltungen. (2012) Aktuelle Meinung in Neurobiologie. 22(4):565-567. DOI: 10.1016/j.conb.2012.07.003

Nielsen, KJ, Callaway, EM, Krauzlis, RJ Virale vektorbasierte reversible neuronale Inaktivierung und Verhaltensmanipulation beim Makaken. (2012) Grenzen der Systemneurowissenschaft. 6:48. DOI: 10.3389/fnsys.2012.00048

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Virale Vektoren sind vielversprechende Werkzeuge für die Zerlegung neuronaler Schaltkreise. Im Prinzip können sie Neuronen mit einer Spezifität manipulieren, die sonst nicht erreichbar wäre. Während viele Studien virale vektorbasierte Ansätze im Gehirn von Nagetieren verwendeten, haben nur wenige diese Technik bei nichtmenschlichen Primaten angewendet, trotz der Bedeutung dieses Tiermodells für die neurowissenschaftliche Forschung. Hier berichten wir über Beweise dafür, dass ein auf viralen Vektoren basierender Ansatz verwendet werden kann, um das Verhalten eines Affen bei einer Aufgabe zu manipulieren. Zu diesem Zweck verwendeten wir das Allatostatin-Rezeptor/Allatostatin-System (AlstR/AL), von dem zuvor gezeigt wurde, dass es die Inaktivierung von Neuronen in vivo ermöglicht. Der AlstR wurde in Neuronen von Affen V1 durch Injektion eines Adeno-assoziierten Virus 1 (AAV1)-Vektors exprimiert. Zwei Affen wurden in einer Erkennungsaufgabe trainiert, bei der sie eine Sakkade zu einem schwachen peripheren Ziel ausführen mussten. Die Injektion von AL verursachte bei einem Affen ein Retinotopie-Defizit bei der Erkennungsaufgabe. Insbesondere zeigte der Affe eine deutliche Beeinträchtigung bei Erkennungszielen, die an der Stelle des Gesichtsfelds platziert waren, die an der Virusinjektionsstelle dargestellt ist, nicht jedoch bei Zielen, die an anderer Stelle angezeigt wurden. Wir haben bestätigt, dass diese Defizite tatsächlich auf die Wechselwirkung von AlstR und AL zurückzuführen sind, indem wir Kochsalzlösung oder AL an einer V1-Stelle ohne AlstR-Expression injiziert haben. Die postmortale Histologie bestätigte die AlstR-Expression bei diesem Affen. Es gelang uns nicht, die Verhaltensergebnisse bei einem zweiten Affen zu reproduzieren, da die AL-Injektion die Leistung des zweiten Affen bei der Erkennungsaufgabe nicht beeinträchtigte. Allerdings ergab die postmortale Histologie bei diesem Affen ein sehr geringes Maß an AlstR-Expression. Unsere Ergebnisse zeigen, dass auf viralen Vektoren basierende Ansätze Effekte hervorrufen können, die stark genug sind, um die Leistung eines Affen bei einer Verhaltensaufgabe zu beeinflussen. Dies unterstützt die Weiterentwicklung dieses Ansatzes zur Untersuchung, wie neuronale Schaltkreise komplexe Verhaltensweisen bei nichtmenschlichen Primaten steuern.

Li, Y., Aimone, JB, Xu, X., Callaway, EM, Gage, FH Die Entwicklung GABAerger Inputs steuert den Beitrag reifender Neuronen zum erwachsenen Hippocampus-Netzwerk. (2012) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 109(11):4290-5. DOI: 10.1073/pnas.1120754109

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Nauhaus, I., Nielsen, KJ, Callaway, EM Die Nichtlinearität der Zwei-Photonen-Ca2+-Bildgebung führt zu verzerrten Messungen der Abstimmung für V1-Neuronenpopulationen. (2012) Journal für Neurophysiologie. 107(3):923-936. DOI: 10.1152/jn.00725.2011

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Wir untersuchten die relative Genauigkeit von Driftgittern und Rauschreizen zur funktionellen Charakterisierung neuronaler Populationen mithilfe der Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung. Die Kalziumbildgebung kann die Messungen aufgrund der Nichtlinearität bei der Umwandlung von Spitzen in beobachtete Fluoreszenz verfälschen. Wir zeigen einen dramatischen Einfluss der Fluoreszenzsättigung auf Funktionsmessungen bei Frettchen V1, indem wir zeigen, dass Reaktionen auf driftende Gitter die Kontrastinvarianz der Orientierungsabstimmung, eine grundlegende Eigenschaft der Spike-Raten, stark verletzen. Die beobachtete Beziehung steht im Einklang mit der Sättigung, die die Spitzen der kontrastreichen Abstimmungskurve um etwa 40 % abschneidet. Die Nichtlinearität war auch in den V1-Reaktionen der Maus auf driftende Gitter sichtbar, jedoch nicht so stark wie beim Frettchen. Die Kontrastinvarianz gilt jedoch für Abstimmungskurven, die mit einem randomisierten Gitterstimulus gemessen wurden. Dieser Befund steht im Einklang mit früheren Arbeiten, die zeigten, dass der lineare Teil eines linear-nichtlinearen Systems mit umgekehrter Korrelation wiederhergestellt werden kann. Darüber hinaus zeigen wir, dass ein Rauschreiz wirksamer ist, um die Spitzenraten im linearen Betriebsbereich einer sättigenden Nichtlinearität zu halten, was sowohl die Signal-Rausch-Verhältnisse maximiert als auch die Wiederherstellung der schnellen Spitzendynamik aus langsamen Kalziumtransienten vereinfacht. Schließlich decken wir räumlich-zeitliche Empfangsfelder auf, indem wir die Nichtlinearität und den langsamen Calcium-Transienten aus einem Modell der Fluoreszenzerzeugung entfernen, was es uns ermöglichte, eine dynamische Schärfung der Orientierungsabstimmung zu beobachten. Wir kommen zu dem Schluss, dass es bei Zwei-Photonen-Aufzeichnungen unbedingt erforderlich ist, die nichtlineare Verzerrung bei der Gestaltung von Reizen und der Interpretation von Ergebnissen zu berücksichtigen, insbesondere in Sinnesbereichen, Arten oder Zelltypen mit hohen Feuerraten.

Vivar, C., Potter, MC, Choi, J., Lee, JY, Stringer, TP, Callaway, EM, Gage, FH, Suh, H., van Praag, H. Monosynaptische Eingaben an neue Neuronen im Gyrus dentatus. (2012) Nature Communications. 3:1107. DOI: 10.1038/ncomms2101

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Nhan, HL, Callaway, EM Morphologie von Neuronen, die den oberen Colliculus und den mittleren temporalen Bereich projizieren, im primären visuellen Kortex von Primaten. (2012) Journal für vergleichende Neurologie. 520(1):52-80. DOI: 10.1002/cne.22685

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Die Schichten 5 und 6 des primären visuellen Kortex (V1) von Primaten beherbergen morphologisch unterschiedliche Zellgruppen mit kortikokortikalen und kortikosubkortikalen Projektionen. Besonders interessant sind Schicht-6-Neuronen, die den mittleren temporalen Bereich (MT) projizieren, da sie die einzigen tiefen kortikalen Neuronen sind, die sowohl kortikokortikale Feedforward-Eingaben (zum Bereich MT) als auch kortikosubkortikale Feedback-Projektionen (zum oberen Colliculus [SC]) bereitstellen (Fries et al. [1985] Exp Brain Res 58:613–616). Aufgrund der Einschränkungen bei den anatomischen Verfolgungstechniken ist jedoch wenig über die detaillierte Morphologie dieser Zellen bekannt. Wir verwendeten daher ein genetisch verändertes Tollwutvirus als retrograden Tracer, um die Dendriten von Projektionsneuronen mit grün fluoreszierendem Protein (GFP) zu füllen (Wickersham et al. [2007] Nat Methods 4:47-49). Wir injizierten Viren in SC oder Area MT von Makakenaffen und untersuchten markierte Zellen in V1. Zwei Drittel der markierten Neuronen nach SC-Injektionen wurden in Schicht 5 gefunden, bestehend aus „hochbüscheligen“ und „nichtbüscheligen“ Zellen; die restlichen Zellen waren Schicht 6 „nicht getuftet“. Flächen-MT-Injektionen markierten Neuronen in den Schichten 4B und 6, wie zuvor beschrieben (Shipp und Zeki [1989] Eur J Neurosci 1:309–332). Die auf MT projizierenden Schicht-6-Neuronen waren den SC-projizierenden Schicht-6-Neuronen bemerkenswert ähnlich. Im Gegensatz zu den dichten und fokussierten dendritischen Dornen der „hochbüscheligen“ Pyramiden der Schicht 5 hatten alle „nichtbüscheligen“ Zellen spärliche, aber ungewöhnlich lange Basaldendriten. Die nichtbüscheligen Zellen ähneln stark Meynert-Zellen (le Gros Clark [1942] J Anat 76:369–376; Winfield et al. [1983] Proc R Soc Lond B Biol Sci 217:129–139), es werden jedoch die vollständigen In-vivo-Rekonstruktionen präsentiert zeigen hier, dass sich ihre Basaldendriten viel weiter ausdehnen können (bis zu 1.2 mm) und weniger asymmetrisch sind als aus Golgi-Rekonstruktionen abgeleitet.

Marshel, JH, Garrett, ME, Nauhaus, I., Callaway, EM Funktionelle Spezialisierung von sieben visuellen kortikalen Bereichen der Maus. (2011) Neuron. 72(6):1040-1054. DOI: 10.1016/j.neuron.2011.12.004

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Choi, J., Callaway, EM Monosynaptische Eingänge zu ErbB4-exprimierenden inhibitorischen Neuronen im primären somatosensorischen Kortex der Maus. (2011) Journal für vergleichende Neurologie. 519(17):3402-3414. DOI: 10.1002/cne.22680

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Frühere Berichte haben Eingaben in den somatosensorischen Kortex (S1) bei Mäusen oder Ratten mithilfe retrograder oder anterograder Tracer beschrieben. Solche Studien zeigen jedoch nicht, welche bestimmten Zelltypen innerhalb des S1-Kortex direkte monosynaptische Verbindungen von diesen Eingabequellen erhalten. Hier beschreiben wir die monosynaptischen Eingänge zu einer Subpopulation von Maus-S1-inhibitorischen Neuronen, die ErbB4 exprimieren. Wir verwendeten ein zuvor beschriebenes „Brückenprotein“, bestehend aus dem ErbB4-Liganden Neuregulin (NRG1), fusioniert mit dem Vogelvirusrezeptor TVB (TVB-NRG1), zusammen mit dem pseudotypisierten EnvB-Lentivirus (LV) und dem Tollwutvirus (RV). selektiv ErbB4-exprimierende Neuronen koinfizieren (Choi et al. [2010] Proc Natl Acad Sci USA 107:16703-16708). Das Glykoprotein-Gen des RV wurde gelöscht und durch mCherry ersetzt, sodass infizierte Zellen mCherry exprimieren und sich das Virus ohne Bereitstellung von Tollwut-Glykoprotein (RG) durch Transkomplementation nicht verbreiten kann. Das LV kodierte und exprimierte RG, um die Transkomplementierung in koinfizierten Neuronen zu ermöglichen, sodass sich das RV transsynaptisch ausbreiten und ihre direkten monosynaptischen Eingänge markieren konnte. Aufgrund des Mangels an RG in präsynaptischen Zellen konnte sich das RV nicht über die direkten Eingänge hinaus ausbreiten. Diese Methode zeigte weitreichende Verbindungen vom Thalamus, Nucleus basalis, Raphe und entfernten kortikalen Bereichen, einschließlich ipsilateraler motorischer, sekundärer somatosensorischer, retrosplenialer und perirhinaler Kortikalis sowie kontralateralem S1. Darüber hinaus wurden lokale Verbindungen von ipsilateralen Pyramidenneuronen innerhalb von S1 markiert. Diese Eingabequellen sind für alle bekannten Eingaben in S1 verantwortlich, die mit Standard-Tracern beschrieben wurden, was darauf hindeutet, dass die Subpopulation von ErbB4-positiven inhibitorischen Neuronen, die mit dem TVB-NRG1-Brückenprotein infiziert wurden, Eingaben wahllos von S1-Eingabequellen erhält.

Osakada, F., Mori, T., Cetin, AH, Marshel, JH, Virgen, B., Callaway, EM Neue Tollwutvirus-Varianten zur Überwachung und Manipulation der Aktivität und Genexpression in definierten neuronalen Schaltkreisen. (2011) Neuron. 71(4):617-631. DOI: 10.1016/j.neuron.2011.07.005

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Callaway, EM, Borrell, V. Entwicklungsformung der dendritischen Morphologie von Schicht-4-Neuronen im visuellen Kortex: Einfluss des retinalen Inputs. (2011) Journal of Neuroscience. 31(20):7456-7470. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5222-10.2011

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Miyamichi, K., Amat, F., Moussavi, F., Wang, C., Wickersham, I., Wall, NR, Taniguchi, H., Tasic, B., Huang, ZJ, He, Z., Callaway, EM, Horowitz, MA, Luo, L. Kortikale Darstellungen des olfaktorischen Inputs durch transsynaptische Verfolgung. (2011) Natur. 472(7342):191-196. DOI: 10.1038/nature09714

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Wall, NR, Wickersham, IR, Cetin, A., De La Parra, M., Callaway, EM Verfolgung monosynaptischer Schaltkreise in vivo durch Cre-abhängiges Targeting und Komplementierung des modifizierten Tollwutvirus. (2010) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 107(50):21848-21853. DOI: 10.1073/pnas.1011756107

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Weible, AP, Schwarcz, L., Wickersham, IR, Deblander, L., Wu, H., Callaway, EM, Seung, HS, Kentros, CG Transgenes Targeting des rekombinanten Tollwutvirus zeigt monosynaptische Konnektivität spezifischer Neuronen. (2010) Journal of Neuroscience. 30(49):16509-16513. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2442-10.2010

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Um zu verstehen, wie neuronale Schaltkreise funktionieren, sind detaillierte Kenntnisse der Konnektivität auf zellularer Ebene erforderlich. Unser derzeitiges Verständnis neuronaler Schaltkreise ist durch die Einschränkungen bestehender Werkzeuge zur transsynaptischen Verfolgung begrenzt. Zu den hartnäckigsten Problemen zählen die mangelnde zelluläre Spezifität der Aufnahme, der Transport über mehrere synaptische Schritte hinweg, bei dem direkte und indirekte Eingaben miteinander vermischt werden, und die schlechte Kennzeichnung geringfügiger Eingaben. Wir nutzten eine neuartige Kombination aus transgener Maustechnologie und einem kürzlich entwickelten Rückverfolgungssystem auf Basis des Tollwutvirus (Wickersham et al., 2007a,b), um alle drei Einschränkungen zu überwinden. Da das Virus sowohl für die Erstinfektion als auch für die anschließende retrograde transsynaptische Infektion eine Transgenexpression erfordert, haben wir mehrere Mäuselinien erstellt, die diese Gene in definierten Zelltypen exprimieren, indem wir das Tetracyclin-abhängige Transaktivatorsystem verwenden (Mansuy und Bujard, 2000). Die Fluoreszenzmarkierung aus der Virusreplikation ist dadurch auf definierte neuronale Zelltypen und deren direkte monosynaptische Eingaben beschränkt. Da die Virusreplikation nicht von der Transgenexpression abhängt, sorgt sie unabhängig von der Eingangsstärke für eine robuste Signalverstärkung in präsynaptischen Neuronen. Wir haben Viren in transgene Kreuzungen injiziert, die die viralen Transgene in bestimmten Zelltypen der Hippocampus-Formation exprimieren, um eine zellspezifische Infektion und einen monosynaptischen retrograden Virustransport zu demonstrieren, der selbst geringfügige Eingaben stark markiert. Eine solche neuronenspezifische transgene Komplementation des rekombinanten Tollwutvirus ist vielversprechend für die Erstellung von Schaltplänen des ZNS von Säugetieren in zellulärer Auflösung.

Heider, B., Nathanson, JL, Isacoff, EY, Callaway, EM, Siegel, RM Zwei-Photonen-Bildgebung von Kalzium in viral transfizierten quergestreiften kortikalen Neuronen von sich verhaltenden Affen. (2010) Plus eins. 5(11). DOI: 10.1371/journal.pone.0013829

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Haubensak, W., Kunwar, PS, Cai, H., Ciocchi, S., Wall, NR, Ponnusamy, R., Biag, J., Dong, HW, Deisseroth, K., Callaway, EM, Fanselow, MS, Lüthi, A., Anderson, DJ Genetische Zerlegung eines Amygdala-Mikroschaltkreises, der konditionierte Angst stoppt. (2010) Natur. 468(7321):270-276. DOI: 10.1038/nature09553

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Hasenstaub, AR, Callaway, EM Malen Sie es schwarz (oder rot oder grün): Optische und genetische Werkzeuge beleuchten hemmende Beiträge zur Funktion kortikaler Schaltkreise. (2010) Neuron. 67(5):681-684. DOI: 10.1016/j.neuron.2010.08.039

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Choi, J., Young, JA, Callaway, EM Selektive virale Vektortransduktion von ErbB4-exprimierenden kortikalen Interneuronen in vivo mit einem viralen Rezeptor-Liganden-Brückenprotein. (2010) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 107(38):16703-16708. DOI: 10.1073/pnas.1006233107

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Marshel, JH, Mori, T., Nielsen, KJ, Callaway, EM Ausrichtung auf einzelne neuronale Netzwerke zur Genexpression und Zellmarkierung in vivo. (2010) Neuron. 67(4):562-574. DOI: 10.1016/j.neuron.2010.08.001

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Hasenstaub, A., Otte, S., Callaway, E., Sejnowski, TJ Stoffwechselkosten als einheitliches Prinzip der neuronalen Biophysik. (2010) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 107(27):12329-34. DOI: 10.1073/pnas.0914886107

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Otte, S., Hasenstaub, A., Callaway, EM Zelltypspezifische Steuerung der neuronalen Reaktionsfähigkeit durch Gammaband-Oszillationshemmung. (2010) Journal of Neuroscience. 30(6):2150-2159. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4818-09.2010

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Neokortikale Netzwerke bestehen aus verschiedenen Zellpopulationen, die sich in ihrem chemischen Inhalt, ihren elektrophysiologischen Eigenschaften und ihrer Konnektivität unterscheiden. Es wurde angenommen, dass die Gammafrequenz-Oszillationsaktivität hemmender Subnetzwerke die Informationsverarbeitung im gesamten Kortex reguliert. Hemmende Neuronen in diesen Subnetzwerken synchronisieren ihr Feuern und innervieren selektiv die perisomatischen Kompartimente ihrer Zielneuronen, wodurch sowohl tonische als auch schnell schwankende Hemmung erzeugt wird. Wie reagieren verschiedene Arten kortikaler Neuronen auf Veränderungen im Ausmaß und in der Struktur der perisomatischen Hemmung? Was erklärt die Antwortheterogenität zwischen Zelltypen und sind diese Antworteigenschaften fest oder flexibel? Um diese Fragen zu beantworten, verwenden wir die In-vitro-Aufzeichnung ganzer Zellen und die somatische Strominjektion mit dynamischer Klemme, um sechs verschiedene Arten kortikaler Neuronen zu untersuchen. Wir zeigen, dass verschiedene Arten von Neuronen systematisch in ihrer Empfänglichkeit für schnelle Veränderungen in der Struktur der Hemmung und in dem Bereich, in dem sich Veränderungen im Hemmtonus auf ihre Leistung auswirken, variieren. Mithilfe einfacher Neuronenmodelle und Modellneuronenhybriden (Dynamic Clamp) ermitteln wir, welche intrinsischen Unterschiede zwischen Zelltypen zu diesen Variationen in der Empfänglichkeit führen. Diese Ergebnisse deuten auf wichtige Unterschiede in der Art und Weise hin, wie Zelltypen durch die Hemmung der Gammafrequenz beeinflusst werden, was wichtige Auswirkungen auf Schaltkreisebene haben kann. Obwohl in vitro beobachtete intrinsische Unterschiede für die Aufklärung grundlegender Zelleigenschaften und Unterschiede zwischen Zelltypen nützlich sind, untersuchen wir auch, wie die integrativen Eigenschaften von Neuronen im Kontext aktiver Netzwerke in vivo wahrscheinlich schnell moduliert werden.

Xu, X., Roby, KD, Callaway, EM Immunchemische Charakterisierung inhibitorischer kortikaler Neuronen der Maus: drei chemisch unterschiedliche Klassen inhibitorischer Zellen. (2010) Journal für vergleichende Neurologie. 518(3):389-404. DOI: 10.1002/cne.22229

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Die Großhirnrinde verfügt über verschiedene Arten hemmender Neuronen. Frühere Untersuchungen haben im Rattencortex gezeigt, dass Parvalbumin (PV), Somatostatin (SOM), Calretinin (CR) und Cholecystokinin (CCK) vier verschiedene chemische Klassen GABAerger Interneurone markieren. Im Gegensatz zum Rattenkortex deuten frühere Studien jedoch darauf hin, dass es in kortikalen inhibitorischen Neuronen der Maus zu einer signifikanten Kolokalisation von SOM und CR kommt. In der vorliegenden Studie haben wir immunchemische Unterschiede zwischen inhibitorischen kortikalen Neuronen der Maus durch doppelte immunchemische Markierung mit chemischen Markern weiter charakterisiert. Wir fanden heraus, dass PV, SOM und vasointenstinales Peptid (VIP) zuverlässig drei nicht überlappende unterschiedliche Subpopulationen identifizieren, da es keine Überlappung der Immunreaktivität zwischen PV und allen anderen getesteten chemischen Markern gab und SOM und VIP keine Überlappung in markierten Neuronen zeigten in allen kortikalen Bereichen. Im Vergleich dazu gab es erhebliche Überschneidungen bei Kombinationen anderer chemischer Marker. Mit einigen laminaren und regionalen Variationen betrug die durchschnittliche Überlappung von SOM/CR (Prozentsatz der SOM+-Zellen, die CR exprimieren) und SOM/Neuropeptid-Tyrosin (NPY) über alle untersuchten Schichten und kortikalen Regionen hinweg 21.6 % bzw. 7.1 %. Die durchschnittliche Überlappung von VIP/CR, VIP/NPY und CR/NPY betrug 34.2 %, 9.5 % bzw. 10 %. Wir haben die Prozentsätze markerpositiver GABAerger Zellen quantifiziert und bewertet und gezeigt, dass die nicht überlappenden Subpopulationen (d. h. PV+-, SOM+- und VIP+-Zellen) etwa 60 % der GABAergen Zellpopulation ausmachten. Zusammengenommen offenbaren unsere Daten wichtige chemische Unterschiede zwischen inhibitorischen kortikalen Neuronen der Maus und weisen darauf hin, dass PV, SOM und VIP einen Großteil der inhibitorischen kortikalen Neuronen der Maus unterschiedlich markieren können.

Lyon, DC, Nassi, JJ, Callaway, EM Eine disynaptische Weiterleitung vom oberen Colliculus zum visuellen Kortex des dorsalen Stroms bei Makaken. (2010) Neuron. 65(2):270-279. DOI: 10.1016/j.neuron.2010.01.003

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Nathanson, JL, Jappelli, R., Scheeff, ED, Manning, G., Obata, K., Brenner, S., Callaway, EM Kurze Promotoren in viralen Vektoren fördern die selektive Expression in inhibitorischen Neuronen von Säugetieren, beschränken die Aktivität jedoch nicht auf bestimmte inhibitorische Zelltypen. (2009) Frontale neurale Schaltungen. 3:19. DOI: 10.3389/neuro.04.019.2009

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Wehr, M., Hostick, U., Kyweriga, M., Tan, A., Weible, AP, Wu, H., Wu, W., Callaway, EM, Kentros, C. Transgene Stummschaltung von Neuronen im Gehirn von Säugetieren durch Expression des Allatostatinrezeptors (AlstR). (2009) Journal für Neurophysiologie. 102(4):2554-2562. DOI: 10.1152/jn.00480.2009

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Das Gehirn von Säugetieren besteht aus einer enorm komplexen Reihe von Schaltkreisen, die aus miteinander verbundenen neuronalen Zelltypen bestehen. Die Analyse zentraler neuronaler Schaltkreise wird durch die Fähigkeit, bestimmte neuronale Zelltypen auszuschalten und gleichzeitig Daten von anderen in intakten Gehirnen aufzuzeichnen, von großem Nutzen sein. Da die Arzneimittelabgabe nicht auf bestimmte Zelltypen beschränkt werden kann, kann dies nur erreicht werden, indem „Silencer“-Transgene unter die Kontrolle neuronenspezifischer Promotoren gestellt werden. Zu diesem Zweck haben wir eine Linie transgener Mäuse geschaffen, die den Drosophila-Allatostatin (AL)-Neuropeptidrezeptor (AlstR) unter die Kontrolle des tetO-Elements stellen und so seine induzierbare Expression ermöglichen, wenn er mit Tet-Transaktivator-Linien gekreuzt wird. Säugetiere haben kein endogenes AL oder AlstR, aber die Aktivierung von exogen exprimiertem AlstR in Säugetierneuronen führt zu einer Membranhyperpolarisierung über endogene G-Protein-gekoppelte nach innen gerichtete Gleichrichter-K(+)-Kanäle, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Neuronen Aktionspotentiale abfeuern, deutlich geringer wird. Hier zeigen wir, dass diese tetO/AlstR-Linie in der Lage ist, AlstR-mRNA in Hauptneuronen im gesamten Vorderhirn breit zu exprimieren, wenn sie mit einer kommerziell erhältlichen Transaktivatorlinie gekreuzt wird. Wir charakterisieren diese Kreuzung in Hippocampusschnitten elektrophysiologisch und zeigen, dass die Badanwendung von AL zu einer Hyperpolarisierung der CA1-Pyramidenneuronen führt, wodurch sie gegenüber der Induktion von Aktionspotentialen durch injizierten Strom resistent werden. Schließlich demonstrieren wir die Fähigkeit der AL-Anwendung, die durch Geräusche hervorgerufenen Spike-Reaktionen auditorischer kortikaler Neuronen in intakten Gehirnen transgener AlstR/tetO-Mäuse zum Schweigen zu bringen. Bei Kreuzung mit anderen Transaktivatorlinien, die in definierten neuronalen Zelltypen exprimieren, sollte sich diese AlstR/tetO-Linie als sehr nützliches Werkzeug für die Analyse intakter zentraler neuronaler Schaltkreise erweisen.

Nathanson, JL, Yanagawa, Y., Obata, K., Callaway, EM Bevorzugte Markierung hemmender und erregender kortikaler Neuronen durch endogenen Tropismus von Adeno-assoziierten Virus- und Lentivirus-Vektoren. (2009) Neurowissenschaften. 161(2):441-450. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2009.03.032

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Nassi, JJ, Callaway, EM Parallele Verarbeitungsstrategien des visuellen Systems von Primaten. (2009) Nature Reviews Neurologie. 10(5):360-372. DOI: 10.1038/nrn2619

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Xu, X., Callaway, EM Laminare Spezifität des funktionellen Inputs für verschiedene Arten hemmender kortikaler Neuronen. (2009) Journal of Neuroscience. 29(1):70-85. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4104-08.2009

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Trotz des Vorhandenseins zahlreicher inhibitorischer Zelltypen wurde der laminare erregende Input nur für begrenzte identifizierte Typen charakterisiert, und es ist nicht bekannt, ob es Unterschiede zwischen den Zelltypen hinsichtlich ihrer laminaren Quellen des inhibitorischen Inputs gibt. In der vorliegenden Studie haben wir Quellen lokaler Eingaben für neun verschiedene Arten von Schicht-2/3-hemmenden Neuronen in lebenden Schnitten des somatosensorischen Kortex von Mäusen charakterisiert. Ganzzellaufzeichnungen identifizierter Zelltypen, erleichtert durch den Einsatz transgener Mäuse, die grün fluoreszierendes Protein in begrenzten inhibitorischen Neuronenpopulationen exprimieren, wurden mit Laser-Scanning-Photostimulation kombiniert. Wir fanden heraus, dass jeder inhibitorische Zelltyp unterschiedliche exzitatorische und inhibitorische laminare Inputmuster erhielt. Erregende Inputs können in drei Kategorien eingeteilt werden. Alle inhibitorischen Zelltypen erhielten eine starke Erregung von Schicht 2/3, und für Calretinin (CR)-positive Martinotti-Zellen und Burst-Spike-Interneuronen war dies ihre dominierende Quelle für erregenden Input. Drei weitere Zelltypen, darunter Fast-Spiking-Korbzellen, CR-negative Martinotti-Zellen und bipolare Interneurone, erhielten ebenfalls einen starken erregenden Input von Schicht 4. Die verbleibenden vier inhibitorischen Zelltypen, darunter Kronleuchterzellen, neurogliaforme Zellen, unregelmäßige Spiking-Korbzellen, und regulär gespikte mutmaßliche Korbzellen erhielten einen starken erregenden Input von Schicht 5A und nicht von Schicht 4. Die laminaren Quellen des inhibitorischen Inputs variierten zwischen den Zelltypen und konnten anhand der Quellen des erregenden Inputs nicht vorhergesagt werden. Somit gibt es zelltypspezifische Unterschiede bei laminaren Quellen sowohl der Erregung als auch der Hemmung, und komplementäre Eingabemuster von Schicht 4 gegenüber Schicht 5A lassen auf Zelltypunterschiede in ihren Beziehungen zu lemniskalen und paralemniskalen Signalwegen schließen.

Callaway, EM Transneuronale Schaltkreisverfolgung mit neurotropen Viren. (2008) Aktuelle Meinung in Neurobiologie. 18(6):617-623. DOI: 10.1016/j.conb.2009.03.007

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Barbour, DL, Callaway, EM Erregende lokale Verbindungen oberflächlicher Neuronen im auditorischen Kortex der Ratte. (2008) Journal of Neuroscience. 28(44):11174-11185. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2093-08.2008

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Die Großhirnrinde von Säugetieren besteht aus mehreren Bereichen, die auf die Verarbeitung von Informationen für viele verschiedene Sinnesmodalitäten spezialisiert sind. Obwohl die Grundstruktur für jeden kortikalen Bereich ähnlich ist, vermitteln spezielle neuronale Verbindungen wahrscheinlich einzigartige Anforderungen an die Informationsverarbeitung. Im Vergleich zum primären visuellen (V1) und somatosensorischen (S1) Kortex ist wenig über die intrinsische Konnektivität des primären auditorischen Kortex (A1) bekannt. Um den Informationsfluss vom Thalamus zum und durch Ratten-A1 besser zu verstehen, nutzten wir eine schnelle Hochdurchsatz-Screening-Methode, bei der die laserinduzierte Freisetzung von Glutamat genutzt wurde, um erregende Eingabekarten einzelner Neuronen zu erstellen. Wir fanden heraus, dass erregende Eingaben in Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 denen in V1 und S1 ähnlich waren; Diese Zellen erhielten eine starke Erregung hauptsächlich von den Schichten 2–4. Sowohl anatomische als auch physiologische Beobachtungen weisen jedoch darauf hin, dass die Ein- und Ausgänge der erregenden Neuronen der Schicht 4 in A1 im Gegensatz zu denen in V1 und S1 stehen. Pyramiden der Schicht 2/3 in A1 haben erhebliche axonale Dornen in Schicht 4, und die Photostimulation zeigt, dass diese Pyramiden eine Verbindung zu erregenden Neuronen der Schicht 4 herstellen können. Darüber hinaus ragen die meisten oder alle dieser erregenden Neuronen der Schicht 4 aus dem lokalen kortikalen Schaltkreis heraus. Im Gegensatz zu S1 und V1, wo die Rückmeldung an Schicht 4 ausschließlich durch indirekte lokale Schaltkreise vermittelt wird, die Schicht-2/3-Projektionen zu tiefen Schichten und tiefe Rückmeldung an Schicht 4 umfassen, integriert Schicht 4 von A1 thalamische und starke wiederkehrende erregende Eingaben der Schicht 4 mit relativ direkter Rückmeldung von Schicht 2/3 und liefert einen direkten kortikalen Output.

Tan, W., Janczewski, WA, Yang, P., Shao, XM, Callaway, EM, Feldman, JL Die Stummschaltung von Somatostatin-exprimierenden Neuronen des Prä-Bötzinger-Komplexes induziert anhaltende Apnoe bei wachen Ratten. (2008) Nature Neurologie. 11(5):538-540. DOI: 10.1038/nn.2104

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Larsen, DD, Wickersham, IR, Callaway, EM Retrograde Verfolgung mit rekombinantem Tollwutvirus zeigt Korrelationen zwischen Projektionszielen und dendritischer Architektur in Schicht 5 des Fasskortex der Maus. (2008) Frontale neurale Schaltungen. 1:5. DOI: 10.3389/neuro.04.005.2007

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Luo, L., Callaway, EM, Svoboda, K. Genetische Zerlegung neuronaler Schaltkreise. (2008) Neuron. 57(5):634-660. DOI: 10.1016/j.neuron.2008.01.002

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Nielsen, KJ, Callaway, EM Mehr als ein Gefühl: Empfindung durch kortikale Stimulation. (2008) Nature Neurologie. 11(1):10-11. DOI: 10.1038/nn0108-10

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Nassi, JJ, Callaway, EM Spezialisierte Schaltkreise vom primären visuellen Kortex bis V2 und Bereich MT. (2007) Neuron. 55(5):799-808. DOI: 10.1016/j.neuron.2007.07.037

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Wickersham, IR, Lyon, DC, Barnard, RJ, Mori, T., Finke, S., Conzelmann, KK, Young, JA, Callaway, EM Monosynaptische Einschränkung der transsynaptischen Verfolgung einzelner, genetisch gezielter Neuronen. (2007) Neuron. 53(5):639-647. DOI: 10.1016/j.neuron.2007.01.033

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Wickersham, IR, Finke, S., Conzelmann, KK, Callaway, EM Retrograde neuronale Verfolgung mit einem deletionsmutierten Tollwutvirus. (2007) Naturmethoden. 4(1):47-49. DOI: 10.1038/nmeth999

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Nassi, JJ, Callaway, EM Mehrere Schaltkreise leiten parallele Sehbahnen von Primaten an den mittleren Schläfenbereich weiter. (2006) Journal of Neuroscience. 26(49):12789-12798. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4044-06.2006

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Sceniak, MP, Chatterjee, S., Callaway, EM Visuelle räumliche Summation in genikulokortikalen Afferenzen von Makaken. (2006) Journal für Neurophysiologie. 96(6):3474-3484. DOI: 10.1152/jn.00734.2006

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Die räumlichen Summationseigenschaften visueller Signale wurden für genikulokortikale Afferenzen im primären visuellen Kortex (V1) anästhesierter gelähmter Makakenaffen analysiert. Afferente Eingabereaktionen wurden extrazellulär während der kortikalen Inaktivierung durch Superfusion des Kortex mit Muscimol aufgezeichnet, was die Untersuchung der Zelleigenschaften des lateralen Genikularkerns des Thalamus (LGN) ohne kortikale Rückkopplung ermöglichte. Reaktionen von afferenten Eingaben wurden basierend auf der anatomischen Organisation innerhalb des Kortex, die durch histologische Rekonstruktionen ermittelt wurde, und der Wellenlängenempfindlichkeit der visuellen Reaktion als magno-, parvo- oder koniozellulär klassifiziert. Mehr als 80 % der Afferenzen zeigten eine starke Umgebungsunterdrückung [Unterdrückungsindex (SI) > 0.5] und 14 % zeigten eine vernachlässigbare Umgebungsunterdrückung (SI < 0.2). In den gesamten kortikalen Eingabeschichten 4C und 4A wurden afferente Reaktionen mit schwacher und starker Surround-Unterdrückung gefunden. Hochkontrastschätzungen der räumlichen Ausdehnung des klassischen Surrounds ähnelten denen des nichtklassischen Surrounds. Die klassische und nichtklassische Umgebung war im Durchschnitt 1.5-fach größer als das Erregungszentrum. Im Gegensatz zu Neuronen innerhalb von V1 war das räumliche Ausmaß der erregenden Summation für genikulokortikale Afferenzen kontrastinvariant. Die nichtklassische Surround-Unterdrückung zeigte eine leichte Kontrastabhängigkeit, wobei die Schätzungen bei niedrigeren Kontrasten größer (20 %) und bei höheren Kontrasten stärker (13 %) waren. Die Surround-Unterdrückung ist kortikalen Eingabereaktionen inhärent und beruht wahrscheinlich auf einer lateralen Hemmung entweder im LGN oder in der Netzhaut. Obwohl die Umgebungsunterdrückung innerhalb afferenter Reaktionen mit dem Kontrast leicht zunimmt, bleibt die räumliche Ausbreitung der Erregung mit dem Kontrast konstant. Dies spricht für unterschiedliche Wirkmechanismen für die kontrastabhängige Modulation kortikaler und subkortikaler Reaktionen.

Xu, X., Roby, KD, Callaway, EM Cortex-hemmender Neuronentyp der Maus, der Somatostatin und Calretinin koexprimiert. (2006) Journal für vergleichende Neurologie. 499(1):144-160. DOI: 10.1002/cne.21101

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Der Cortex von Säugetieren enthält eine Vielzahl hemmender Neuronentypen mit jeweils unterschiedlichen morphologischen, immunchemischen und/oder physiologischen Eigenschaften. Im Rattencortex unterscheiden chemische Marker mindestens vier verschiedene und nicht überlappende Neuronenklassen basierend auf der Expression von Parvalbumin (PV), Somatostatin (SST), Calretinin (CR) und Cholecystokinin (CCK). Es wurde allgemein angenommen, dass diese Klassifizierungen auch für andere Nagetierarten gelten sollten. Im Mauskortex fanden wir jedoch eine signifikante Kolokalisierung von SST und CR in inhibitorischen Neuronen; Etwa 30 % der SST-positiven Zellen enthielten CR und etwa 33 % der CR-positiven Zellen enthielten SST im frontalen, somatosensorischen (S1) und visuellen Kortex (V1). Die kolokalisierten SST- und CR-Zellen wurden in Schicht 2/3 konzentriert. Wir haben die morphologischen und physiologischen Eigenschaften der kortikalen inhibitorischen Neuronentypen der Maus, die SST exprimieren, weiter charakterisiert, indem wir transgene „GIN“-Mäuse verwendet haben, in denen GFP in einer Untergruppe von SST-inhibitorischen Neuronen exprimiert wird (siehe Oliva et al. [2000] J Neurosci 20: 3354-3368). Im Allgemeinen zeigten sowohl SST/CR+-Zellen als auch SST/CR--Zellen morphologische Merkmale von Martinotti-Zellen, wie sie im Rattencortex beschrieben wurden, und sie hatten auch ähnliche akkommodierende Spike-Firing-Muster. Allerdings unterschieden sie sich deutlich im quantitativen Vergleich der Morphologie und Spitzenformen. SST/CR+-Zellen hatten mehr horizontal ausgedehnte dendritische Felder und mehr Primärprozesse als SST/CR--Zellen; und SST/CR-Zellen hatten schmalere Aktionspotentialbreiten und eine schnellere Nachhyperpolarisation als SST/CR+-Zellen. Somit zeigen unsere Daten einen wichtigen Artenunterschied in der chemischen Unterscheidung inhibitorischer Neuronensubtypen und weisen darauf hin, dass die Kolokalisierung von CR in SST-Zellen mit unterschiedlichen morphologischen und physiologischen Merkmalen korreliert.

Borrell, V., Kaspar, BK, Gage, FH, Callaway, EM In-vivo-Beweise für die radiale Migration von Neuronen durch somale Translokation über große Entfernungen im sich entwickelnden visuellen Kortex von Frettchen. (2006) Cereb Kortex. 16(11):1571-83. DOI: 10.1093/cercor/bhj094

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Callaway, EM, Sanes, JR Neue Technologien. (2006) Aktuelle Meinung in Neurobiologie. 16(5):540-542. DOI: 10.1016/j.conb.2006.08.014

Tan, EM, Yamaguchi, Y., Horwitz, GD, Gosgnach, S., Lein, ES, Goulding, M., Albright, TD, Callaway, EM Selektive und schnell reversible Inaktivierung von Säugetierneuronen in vivo mithilfe des Drosophila-Allatostatinrezeptors. (2006) Neuron. 51(2):157-70. DOI: 10.1016/j.neuron.2006.06.018

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Nassi, JJ, Lyon, DC, Callaway, EM Das parvozelluläre LGN bietet einen robusten disynaptischen Input für den visuellen Bewegungsbereich MT. (2006) Neuron. 50(2):319-327. DOI: 10.1016/j.neuron.2006.03.019

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Callaway, EM Soll ich bleiben oder gehen? Die präsynaptischen Boutons im erwachsenen Kortex haben sich noch nicht entschieden. (2006) Neuron. 49(6):780-783. DOI: 10.1016/j.neuron.2006.03.007

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Gosgnach, S., Lanuza, GM, Butt, SJ, Saueressig, H., Zhang, Y., Velasquez, T., Riethmacher, D., Callaway, EM, Kiehn, O., Goulding, M. Spinale V1-Neuronen regulieren die Geschwindigkeit der Bewegungsausgänge von Wirbeltieren. (2006) Natur. 440(7081):215-9. DOI: 10.1038/nature04545

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Zarrinpar, A., Callaway, EM Lokale Verbindungen zu bestimmten Arten von Schicht-6-Neuronen im visuellen Kortex der Ratte. (2006) Journal für Neurophysiologie. 95(3):1751-1761. DOI: 10.1152/jn.00974.2005

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Larsen, DD, Callaway, EM Entwicklung schichtspezifischer axonaler Arborisierungen im primären somatosensorischen Kortex der Maus. (2006) Journal für vergleichende Neurologie. 494(3):398-414. DOI: 10.1002/cne.20754

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Yoshimura, Y., Callaway, EM Die Feinskalenspezifität kortikaler Netzwerke hängt vom inhibitorischen Zelltyp und der Konnektivität ab. (2005) Nature Neurologie. 8(11):1552-1559. DOI: 10.1038/nn1565

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Callaway, EM Struktur und Funktion paralleler Bahnen im frühen visuellen System von Primaten. (2005) Zeitschrift für Physiologie. 566 (Teil 1): 13-19. DOI: 10.1113/jphysiol.2005.088047

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Briggs, F., Callaway, EM Laminare Muster lokaler erregender Eingaben an Schicht-5-Neuronen im primären visuellen Kortex von Makaken. (2005) Cereb Kortex. 15(5):479-488. DOI: 10.1093/cercor/bhh154

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Borrell, V., Yoshimura, Y., Callaway, EM Gezielte Genabgabe an telenzephale inhibitorische Neuronen durch gerichtete Elektroporation in der Gebärmutter. (2005) Zeitschrift für neurowissenschaftliche Methoden. 143(2):151-158. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2004.09.027

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Callaway, EM Ein molekulares und genetisches Arsenal für die Systemneurowissenschaft. (2005) Trends in den Neurowissenschaften. 28(4):196-201. DOI: 10.1016/j.tins.2005.01.007

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Lein, ES, Callaway, EM, Albright, TD, Gage, FH Neudefinition der Grenzen des CA2-Unterfelds des Hippocampus in der Maus mithilfe von Genexpression und dreidimensionaler Rekonstruktion. (2005) Journal für vergleichende Neurologie. 485(1):1-10. DOI: 10.1002/cne.20426

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Yoshimura, Y., Dantzker, JL, Callaway, EM Erregende kortikale Neuronen bilden feinskalige funktionelle Netzwerke. (2005) Natur. 433(7028):868-873. DOI: 10.1038/nature03252

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Callaway, EM Neuronale Substrate im primären visuellen Kortex für Interaktionen zwischen parallelen Sehbahnen. (2005) Fortschritte in der Hirnforschung. 149:59-64. DOI: 10.1016/S0079-6123(05)49005-6

Siegel, RM, Callaway, EM Francis Cricks Vermächtnis für die Neurowissenschaften: zwischen Alpha und Omega. (2004) PLOS Biologie. 2(12). DOI: 10.1371/journal.pbio.0020419

Horwitz, GD, Callaway, EM Antisense-Hemmung des Belohnungslernens. (2004) Nature Neurologie. 7(10):1023-1024. DOI: 10.1038/nn1004-1023

Callaway, EM Enge Begegnungen: Wie kortikale Neuronen ihre richtigen synaptischen Partner finden und sich mit ihnen verbinden, hängt vom Zelltyp ab. (2004) Neuron. 43(2):156-158. DOI: 10.1016/j.neuron.2004.07.006

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Callaway, EM Feedforward-, Feedback- und Hemmverbindungen im visuellen Kortex von Primaten. (2004) Neuronale Netze. 17(5-6):625-632. DOI: 10.1016/j.neunet.2004.04.004

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Brivanlou, IH, Dantzker, JL, Stevens, CF, Callaway, EM Topografische Spezifität funktioneller Verbindungen von Hippocampus CA3 zu CA1. (2004) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 101 (8): 2560-2565.

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Chatterjee, S., Callaway, EM Parallele Farbgegnerpfade zum primären visuellen Kortex. (2003) Natur. 426(6967):668-671. DOI: 10.1038/nature02167

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Callaway, EM Orientierungsabstimmung – ein krummer Weg zum Geraden und Engen. (2002) Neuron. 36 (5): 783-785.

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Callaway, EM, Yuste, R. Stimulierung von Neuronen mit Licht. (2002) Aktuelle Meinung in Neurobiologie. 12 (5): 587-592.

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Chatterjee, S., Callaway, EM S-Zapfen-Beiträge zur magnozellulären Sehbahn bei Makaken. (2002) Neuron. 35 (6): 1135-1146.

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Borrell, V., Callaway, EM Die Reorganisation üppiger axonaler Lauben trägt zur Entwicklung einer laminaren Spezifität im visuellen Kortex von Frettchen bei. (2002) Journal of Neuroscience. 22(15):6682-6695. DOI: 20026663

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Es wird angenommen, dass sich schichtspezifische kortikale Axone von Anfang an präzise entwickeln, ohne übermäßige Verzweigungen in falschen kortikalen Schichten zu bilden. Wir haben diese Hypothese getestet, indem wir die Entwicklung von Axondornen der Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 im visuellen Kortex von Frettchen verfolgt haben, die beim Erwachsenen dichte Axondorne in den Schichten 2/3 und 5 und nicht in Schicht 4 haben. Wir haben unsere Studien früher begonnen Alter und in kürzeren Abständen als in früheren Studien beprobt. Unsere Studien zeigen, dass zwischen dem postnatalen Tag (P) 14 und P18 das anfängliche Wachstum der axonalen Lauben keine Spezifität für die Schichten 2/3 und 5 aufweist und die Bildung einer kleinen Anzahl falscher Äste in Schicht 4 beinhaltet. Nach P18 verringert sich die Anzahl der falschen Axonen Die Verzweigungen in Schicht 4 nahmen ab, während es insbesondere in den Schichten 2/3 und 5 zu einem ausgedehnten axonalen Wachstum kam. Um die Mechanismen weiter zu untersuchen, die an der Steuerung des schichtspezifischen Wachstums und der Eliminierung von Axonverzweigungen beteiligt sind, untersuchten wir die Entwicklung von Neuronen der Schicht 2/3 in Scheiben, 5 Tage in Kultur gehalten. In diesen Studien wurde das anfängliche ungenaue Wachstum bei P14-18, gefolgt von einem präzisen Wachstum nach P18, in vitro nachgeahmt, aber die Eliminierung falscher Axone aus Schicht 4 kam nicht vor. Diese Studien zeigen, dass die meisten axonalen Lauben genau in den richtigen Schichten wachsen, das anfängliche Wachstum jedoch mit der Bildung einer kleinen Anzahl falscher axonaler Äste einhergeht, die später entfernt werden. Daher sind die Mechanismen, die das Axonwachstum regulieren, anfangs nicht so präzise wie später, und es müssen Mechanismen vorhanden sein, die eine selektive Eliminierung von Axonkollateralen aus falschen Schichten ermöglichen.

Lechner, HA, Lein, ES, Callaway, EM Eine genetische Methode zur selektiven und schnell reversiblen Stummschaltung von Säugetierneuronen. (2002) Journal of Neuroscience. 22(13):5287-5290. DOI: 20026527

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Callaway, EM Zelltypspezifität lokaler kortikaler Verbindungen. (2002) Zeitschrift für Neurozytologie. 31(3-5):231-237.

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Callaway, EM Neuronale Mechanismen zur Erzeugung visueller komplexer Zellen. (2001) Neuron. 32 (3): 378-380.

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Briggs, F., Callaway, EM Schichtspezifische Eingabe für verschiedene Zelltypen in Schicht 6 des primären visuellen Kortex von Affen. (2001) Journal of Neuroscience. 21 (10): 3600-3608.

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Schicht 6 des Affen V1 enthält eine physiologisch und anatomisch vielfältige Population erregender Pyramidenneuronen. Markante Arborisierungsmuster von Axonen und Dendriten innerhalb der funktionell spezialisierten kortikalen Schichten definieren acht Typen von Schicht-6-Pyramidenneuronen und lassen auf einzigartige Informationsverarbeitungsfunktionen für jeden Zelltyp schließen. Um zu untersuchen, wie Eingabequellen zur Zellfunktion beitragen, untersuchten wir die laminaren Quellen funktioneller erregender Eingaben auf einzelne Pyramidenneuronen der Schicht 6 mithilfe einer Rasterlaser-Photostimulation. Wir stellen fest, dass erregende Inputquellen mit dem Zelltyp korrelieren. Klasse-I-Neuronen mit axonalen Dornen, die selektiv auf die magnozelluläre (M) Empfängerschicht 4Calpha abzielen, erhalten Eingaben von der M-dominierten Schicht 4B, wohingegen Klasse-I-Neuronen, deren axonale Dorne auf die parvozelluläre (P) Empfängerschicht 4Cbeta abzielen, Eingaben von der P-dominierten Schicht 2/3 erhalten. Überraschenderweise unterscheiden sich diese neuronalen Typen nicht wesentlich in den Eingaben, die sie direkt von den Schichten 4Calpha oder 4Cbeta erhalten. Klasse-II-Zellen, denen dichte Axondorne in Schicht 4C fehlen, erhalten erregenden Input von Schichten, auf die ihre lokalen Axone abzielen. Insbesondere Zellen vom Typ IIA projizieren Axone in die tiefen, aber nicht oberflächlichen Schichten und empfangen Eingaben von ihnen. Neuronen vom Typ IIB projizieren in die tiefsten und oberflächlichsten Schichten und empfangen Eingaben von diesen, jedoch nicht in die mittleren Schichten. Neuronen vom Typ IIC verzweigen sich in allen kortikalen Schichten und neigen dazu, Eingaben von allen kortikalen Schichten zu empfangen. Diese Beobachtungen haben Auswirkungen auf die funktionellen Rollen verschiedener Zelltypen der Schicht 6 bei der visuellen Informationsverarbeitung.

Yabuta, NH, Sawatari, A., Callaway, EM Zwei funktionelle Kanäle vom primären visuellen Kortex zu den dorsalen visuellen Kortexbereichen. (2001) Science. 292(5515):297-300. DOI: 10.1126/science.1057916

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Butler, AK, Dantzker, JL, Shah, RB, Callaway, EM Entwicklung visueller kortikaler Axone: schichtspezifische Auswirkungen äußerer Einflüsse und Aktivitätsblockade. (2001) Journal für vergleichende Neurologie. 430 (3): 321-331.

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Während der normalen kortikalen Entwicklung bilden einzelne Pyramidenneuronen intrakortikale Axondorne, die für bestimmte kortikale Schichten spezifisch sind. Pyramidenneuronen innerhalb der Schicht 6 sind in der Lage, schichtspezifische Projektionen in kultivierten Schnitten des visuellen Kortex von Frettchen zu entwickeln, was darauf hinweist, dass äußere Einflüsse, einschließlich gemusterter visueller Aktivität, nicht erforderlich sind (Dantzker und Callaway [1998] J Neurosci 18:4145-4154). Wenn jedoch die spontane Aktivität in Kulturen mit Tetrodotoxin blockiert wird, gelingt es den Pyramidenneuronen der Schicht 6 nicht, ihre Axone bevorzugt auf Schicht 4 auszurichten. Um zu bestimmen, ob Mechanismen, die die Entwicklung der Dorne der Pyramidenneuronen der Schicht 6 regulieren, auf Pyramidenneuronen in anderen Schichten übertragen werden können, Wir untersuchten die Entwicklung von Pyramidenneuronen der Schichten 5 und 2/3 in kultivierten Schnitten des visuellen Kortex von Frettchen, die am 14. oder 15. postnatalen Tag hergestellt wurden. Pyramidenneuronen der Schicht 5 entwickelten schichtspezifische axonale Dorne während 5–7 Tagen in vitro. Im Gegensatz zu den Pyramidenneuronen der Schicht 6 bildeten die Pyramidenneuronen der Schicht 5 jedoch in Gegenwart von Tetrodotoxin schichtspezifische Axondorne. Im Gegensatz zu den Pyramidenneuronen der Schichten 5 und 6 bildeten die Pyramidenneuronen der Schichten 2/3 während 5–7 Tagen in vitro keine geeigneten schichtspezifischen Projektionen. Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass die Entwicklung schichtspezifischer Axone durch unterschiedliche Mechanismen für Neuronen in verschiedenen Schichten reguliert wird und nicht kategorisch als entweder aktivitätsabhängig oder unabhängig klassifiziert werden kann. Stattdessen müssen die Art des Pyramidenneurons, die Zielschichten und die Art der Aktivität berücksichtigt werden.

Yabuta, NH, Butler, AK, Callaway, EM Laminare Spezifität lokaler Schaltkreise im Barrel-Cortex von Ephrin-A5-Knockout-Mäusen. (2000) Journal of Neuroscience. 20(15):RC88.

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Dantzker, JL, Callaway, EM Laminare Quellen synaptischen Inputs für kortikale inhibitorische Interneurone und Pyramidenneuronen. (2000) Nature Neurologie. 3(7):701-707. DOI: 10.1038/76656

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Sawatari, A., Callaway, EM Diversität und Zelltypspezifität lokaler erregender Verbindungen zu Neuronen in Schicht 3B des primären visuellen Kortex von Affen. (2000) Neuron. 25 (2): 459-471.

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Furuta, T., Wang, SS, Dantzker, JL, Dore, TM, Bybee, WJ, Callaway, EM, Denk, W., Tsien, RY Bromierte 7-Hydroxycumarin-4-ylmethyle: photolabile Schutzgruppen mit biologisch nützlichen Querschnitten für die Zwei-Photonen-Photolyse. (1999) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 96 (4): 1193-1200.

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Yabuta, NH, Callaway, EM Cytochrom-Oxidase-Blobs und intrinsische horizontale Verbindungen der Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 im Primaten V1. (1998) Visuelle Neurowissenschaften. 15 (6): 1007-1027.

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Pyramidenneuronen in oberflächlichen Schichten der Großhirnrinde verfügen über ausgedehnte horizontale Axone, die ein Substrat für laterale Interaktionen über kortikale Säulen hinweg bieten. Es wird angenommen, dass diese Verbindungen funktionell ähnliche Regionen verbinden, was durch die Beobachtung nahegelegt wird, dass Cytochromoxidase-Blobs im primären visuellen Kortex (V1) von Affen vorzugsweise mit Blobs und Interblobs mit Interblobs verbunden sind. Um die genaue Beziehung zwischen horizontalen Verbindungen und Blobs besser zu verstehen, haben wir 20 Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 in tangentialen lebenden Hirnschnitten aus V1 von Makakenaffen intrazellulär markiert. Die Positionen jedes Zellkörpers und der synaptischen Boutons der Zelle im Verhältnis zu den Blobs wurden quantitativ analysiert. Wir fanden Hinweise auf zwei Zelltypen, die sich in charakteristischen Abständen von Blob-Zentren befinden: (1) Neuronen ohne weitreichende, gebündelte Axone (Somata 130–200 Mikrometer von den Blob-Zentren entfernt) und (2) Zellen mit gebündelten, weit entfernten Axon-Kollateralen ( Somata < 130 Mikrometer oder > 200 Mikrometer von den Blobzentren entfernt). Bei allen Zellen befanden sich synaptische Boutons in der Nähe des Zellkörpers in ähnlichen Abständen von den Blobzentren wie der Zellkörper. Die Mehrzahl der Boutons aus Zellen ohne distale Axoncluster befanden sich in der Nähe ihrer Zellkörper. Zellen, die mehr als 200 Mikrometer von Blob-Zentren entfernt waren, befanden sich in Interblobs und verfügten über weit entfernte geclusterte Axonkollateralen, die selektiv auf entfernte Interblob-Regionen zielten. Zellen, die weniger als 130 Mikrometer von den Blobzentren entfernt waren, wurden sowohl innerhalb von Blobs als auch zwischen Blobs gefunden, viele befanden sich jedoch in der Nähe traditionell definierter Grenzen. Die von diesen Zellen entfernten synaptischen Boutons befanden sich im Allgemeinen relativ nahe an den Blob-Zentren, aber die Neuronen, die den Blob-Zentren am nächsten waren, hatten synaptische Boutons, die näher an den Blob-Zentren lagen als diejenigen, die weiter entfernt waren. Es gab keinen scharfen Übergang, der eine Spezifität für Blobs und Interblobs als diskrete, binäre Einheiten nahelegen würde. Stattdessen scheinen sie Extreme entlang eines Kontinuums zu sein. Diese Beobachtungen haben wichtige Implikationen für die Funktion lateraler Wechselwirkungen innerhalb von V1.

Yabuta, NH, Callaway, EM Funktionsströme und lokale Verbindungen von Schicht-4C-Neuronen im primären visuellen Kortex des Makaken. (1998) Journal of Neuroscience. 18 (22): 9489-9499.

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Das visuelle System von Primaten besteht aus mehreren, funktionell spezialisierten kortikalen Bereichen. Es wird angenommen, dass die funktionale Vielfalt zwischen den Bereichen unterschiedliche Beiträge von frühen parallelen Sehbahnen zu den Neuronen des Bereichs V1 widerspiegelt, die Eingaben für „höhere“ kortikale Bereiche liefern. Es wird angenommen, dass der M-Weg über Schicht 4B von V1 Informationen über Bewegung und Kontrast an die dorsalen Sehbereiche liefert. Es wird angenommen, dass der P-Weg Informationen über Form und Farbe über Schicht 2/3 von V1 an ventrale visuelle Bereiche liefert, wobei spezielle Beiträge von Cytochromoxidase (CO)-Blobs im Vergleich zu Interblob-Neuronen geleistet werden. Allerdings sind die detaillierten anatomischen Beziehungen zwischen den M- und P-Bahnen und den Neuronen in V1, die Eingaben für höhere extrastriate kortikale Bereiche liefern, kaum verstanden. Um diese Beziehungen zu untersuchen, wurden stachelige Sternneuronen in den M- und P-Empfängerschichten von V1, 4Calpha bzw. 4Cbeta intrazellulär markiert und ihre axonalen und dendritischen Dorne wurden rekonstruiert. Wir stellen fest, dass Neuronen mit Dendriten in der oberen Schicht 4Calpha Axone in Schicht 4B und CO-Blobs in Schicht 2/3 projizieren und so den M-Input an diese Regionen weiterleiten. Andere Neuronen in der unteren 4Calpha-Schicht stellen M-Eingaben für Interblobs bereit. Diese Zellen haben entweder (1) Dendriten, die auf 4Calpha der unteren Schicht und Axone beschränkt sind, die speziell auf Interblobs der Schicht 2/3 abzielen, oder (2) Dendriten im unteren 4Calpha und 4Cbeta und Axone, die auf Blobs und Interblobs abzielen. 4Cbeta-Neuronen der P-Empfängerschicht haben dichte Axondorne sowohl in Blobs als auch in Interblobs, nicht jedoch in Schicht 4B. Quantitative Analysen zeigen, dass 4Calpha-Zellen etwa fünfmal mehr Synapsen als 4Cbeta-Zellen für Schicht 4B bereitstellen, wohingegen 4Cbeta-Zellen fünfmal mehr Synapsen als 4Calpha-Zellen für Schicht 2/3 bereitstellen. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die M-Eingabe in Schicht 4B dominant ist. In Schicht 2/3 erhalten sowohl Blobs als auch Interblobs M- und P-Input, aber der P-Input ist dominant und der M-Input in Interblobs stammt ausschließlich von einer Subpopulation von M-Afferenzen, die auf das untere 4Calpha abzielen, und nicht von Afferenzen, die nur auf das obere 4Calpha abzielen (vgl . Blasdel und Lund, 1983). Wir spekulieren, dass die M- und P-Pfade zu Interblobs „X-ähnliche“ lineare Systeme sind, wohingegen Blobs auch nichtlineare „Y-ähnliche“ M-Eingaben erhalten.

Dantzker, JL, Callaway, EM Die Entwicklung lokaler, schichtspezifischer visueller kortikaler Axone ohne äußere Einflüsse und intrinsische Aktivität. (1998) Journal of Neuroscience. 18 (11): 4145-4154.

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Callaway, EM Visuelle Szenen und kortikale Neuronen: Was Sie sehen, ist das, was Sie bekommen. (1998) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 95 (7): 3344-3345.

Callaway, EM Pränatale Entwicklung schichtspezifischer lokaler Schaltkreise im primären visuellen Kortex des Makaken. (1998) Journal of Neuroscience. 18 (4): 1505-1527.

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Frühere Studien haben gezeigt, dass sich axonale Dornen, die für die vier Hauptkortikalisschichten – 2/3, 4, 5 und 6 – spezifisch sind, von Anfang an mithilfe aktivitätsunabhängiger Hinweise präzise entwickeln. Im primären visuellen Kortex (V1) von Makaken ist Schicht 2/3 in die Schichten 2/3A, 3B, 4A und 4B unterteilt, und Schicht 4 ist in 4Calpha und 4Cbeta unterteilt. Einzelne Neuronen in V1 ausgewachsener Makaken haben axonale Dornen, die für diese Unterschichten hochspezifisch sind. Wir haben die pränatale Entwicklung der laminaren und sublaminaren Spezifität lokaler Schaltkreise bei Makaken V1 untersucht. Zweihundertachtunddreißig Neuronen wurden intrazellulär in lebenden Hirnschnitten markiert, die aus V1 von fünf pränatalen Makakenaffen im Alter von 100 bis 145 Tagen nach der Empfängnis (E100–E145) hergestellt wurden. Axonale und dendritische Dorne markierter Neuronen wurden rekonstruiert, um ihre Beziehungen zu den kortikalen Schichten zu beurteilen. Wir stellen fest, dass sich entwickelnde stachelige Neuronen in den Schichten 2–4B und Schicht 5 gezielt auf oberflächliche und tiefe Schichten abzielen, ohne „falsche“ Verzweigungen in Schicht 4C zu bilden. In ähnlicher Weise bilden Pyramidenneuronen der Schicht 6, die auf Schicht 4C abzielen, in Schicht 5 keine „falschen“ Verzweigungen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich spezifische Projektionen zu den Hauptkortikalisschichten wie bei anderen Arten mit einem hohen Grad an Selektivität entwickeln. Allerdings war die Entwicklung subschichtspezifischer Projektionen nicht von Anfang an präzise. Im Gegensatz zu postnatalen Tieren verzweigen sich Axone einiger stacheliger Neuronen der pränatalen Schicht 4Cbeta in Schicht 4B. In ähnlichem Alter haben viele Pyramidenneuronen in der oberen Hälfte der Schicht 6 axonale Verzweigungen in Schicht 4Calpha sowie 4Cbeta; Diese Prognosen gelten spezifisch für 4Cbeta bei reiferen Tieren. Auch in den axonalen Lauben anderer Schicht-6-Zelltypen gibt es eine ähnliche „Überschwänglichkeit“. Vorübergehende Projektionen wurden auch in der Unterplatte und in der weißen Substanz für Zellen aus allen Schichten außer 4Cbeta beobachtet. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass zumindest einige unterschichtspezifische Projektionen durch die Eliminierung üppiger axonaler Äste entstehen, und legen nahe, dass sie möglicherweise aktivitätsabhängige Mechanismen nutzen, um „richtige“ Zielschichten zu identifizieren. Solche Hinweise könnten durch laminare Unterschiede in den Mustern der spontanen pränatalen Aktivität im retino-genikulokortikalen Netzwerk geliefert werden.

Callaway, EM Lokale Schaltkreise im primären visuellen Kortex des Makaken. (1998) Jahresrückblick der Neurowissenschaften. 21:47-74. DOI: 10.1146/annurev.neuro.21.1.47

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Wiser, AK, Callaway, EM Augendominanzsäulen und lokale Projektionen von Schicht-6-Pyramidenneuronen im primären visuellen Kortex von Makaken. (1997) Entwicklungsbiologie. 14 (2): 241-251.

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Callaway, EM, Lieber, JL Entwicklung axonaler Lauben von Schicht-6-Pyramidenneuronen im primären visuellen Kortex von Frettchen. (1996) Journal für vergleichende Neurologie. 376(2):295-305. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9861(19961209)376:2<295::AID

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Wir verfolgten die Entwicklung von Axondornen von Schicht-6-Pyramidenneuronen im quergestreiften Kortex von Frettchen, um festzustellen, ob sich früh entwickelnde Axonkollateralen von Anfang an spezifisch in den richtigen Zielschichten gebildet werden oder ihre adulte Spezifität durch die Eliminierung anfänglich üppiger Projektionen erreichen. Diese Neuronen wurden für die Untersuchung ausgewählt, weil sie zu den ersten gehören, die im quergestreiften Kortex des sich entwickelnden Frettchens erzeugt werden, und bei ausgewachsenen Tieren verfügen diese Zellen über Axondorne, die hochspezifisch für Schicht 4 und in geringerem Maße für Schicht 2/3 sind haben wenige Kollateraläste in Schicht 5. Die axonalen Lauben einzelner Pyramidenneuronen der Schicht 6 wurden nach Markierung in lebenden Schnitten rekonstruiert, die aus dem striären Kortex von Frettchen im Alter von 13–35 Tagen nach der Geburt hergestellt wurden (P13–35). Im frühesten Alter (P13–15) bestanden Axondorne aus einem einfachen Axon, das sich von der Basis des Zellkörpers in die Unterplatte oder weiße Substanz erstreckte und normalerweise einige Seitenäste bildete, aber nie in Schicht 5 aufstieg. Etwa die Hälfte der Zellen hatte verlängerte Axonkollateralen bis in Schicht 19 oder höher, und diese schienen sich bereits in Schicht 20 bevorzugt zu verzweigen. Alle Zellen älterer Tiere hatten in den Schichten 5–4 beträchtliche Axondorne. Bei P2-4 gab es in Schicht 26 ungefähr zehnmal so viele axonale Äste wie in Schicht 28. Zwischen P4-5 und P26 gab es keine signifikante Änderung in der Anzahl der Äste in Schicht 28, aber die Anzahl beider Äste und der Axon-Kollateralterminationen in Schicht 35 ungefähr verdoppelt. Daher nimmt das Ausmaß der axonalen Verzweigung in Schicht 5 zwischen P4 und P4 dramatisch zu, und das Wachstum ist für die richtigen Zielschichten hochspezifisch, wobei in Schicht 13 nur wenige Verzweigungen gebildet werden.

Callaway, EM, Wiser, AK Beiträge einzelner stacheliger Neuronen der Schicht 2–5 zu lokalen Schaltkreisen im primären visuellen Kortex von Makaken. (1996) Visuelle Neurowissenschaften. 13 (5): 907-922.

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Wir untersuchten erregende lokale Schaltkreise im primären visuellen Kortex (VI) von Makaken, um ihre Beziehungen zu den magnozellulären (M) und parvozellulären (P) Strömen zu untersuchen. Es wurden 2 intrazellulär markierte stachelige Neuronen in den Schichten 5–4 analysiert. Wir haben detaillierte Beobachtungen der laminaren und säulenförmigen Spezifität axonaler Dorne gemacht und Korrelationen mit dendritischen Dornen festgestellt. Wir finden Hinweise auf eine erhebliche Vermischung von M- und P-Strömen durch die lokalen Schaltkreise in VI. Eine solche Vermischung wird durch Neuronen in der primären genikulären Empfängerschicht 4C sowie durch Neuronen sowohl in der supragranulären als auch infragranulären Schicht bereitgestellt. Wir waren auch an möglichen Unterschieden in den axonalen Projektionen von Neuronen mit unterschiedlichen dendritischen Morphologien interessiert. Wir fanden heraus, dass stachelige Stern- und Pyramidenneuronen der Schicht 5B ähnliche Axondorne haben. Wir haben jedoch zwei Arten von Schicht-2.4-Pyramidenneuronen identifiziert. Die meisten haben eine konventionelle Pyramiden-Dendriten-Morphologie, einen dichten Axondorn in den Schichten 5B und ragen nicht in die weiße Substanz hinein. Projektionsneuronen der Schicht 2 haben eine ungewöhnliche „Backbranching“-Dendritenmorphologie (apikale dendritische Zweige sind eher nach unten als nach oben gebogen) und eine schwache oder keine axonale Verzweigung in den Schichten 4–5B, haben aber lange horizontale axonale Projektionen in Schicht 5B. Wir finden keine starke Projektion von Pyramidenneuronen der Schicht 6 auf Schicht 1. In Makaken V6 scheint es keine einzige Quelle für starke lokale Eingaben auf Schicht 2 zu geben; Nur eine Minderheit der Zellen in den Schichten 5–6 hat axonale Verzweigungen in Schicht 1 und diese sind spärlich. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass lokale Schaltkreise in VXNUMX Interaktionen zwischen M- und P-Eingaben vermitteln, die komplex sind und nicht einfach in ein einfaches Framework integriert werden können.

Sawatari, A., Callaway, EM Konvergenz von magno- und parvozellulären Bahnen in Schicht 4B des primären visuellen Kortex von Makaken. (1996) Natur. 380(6573):442-446. DOI: 10.1038/380442a0

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Wiser, AK, Callaway, EM Beiträge einzelner Pyramidenneuronen der Schicht 6 zu lokalen Schaltkreisen im primären visuellen Kortex von Makaken. (1996) Journal of Neuroscience. 16 (8): 2724-2739.

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Callaway, EM Eingesperrte Neurotransmitter. Licht ins Dunkel neuronaler Schaltkreise bringen. (1994) Aktuelle Biologie 4 (11): 1010-1012.

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Callaway, EM, Katz, LC Photostimulation mit Käfigglutamat enthüllt funktionelle Schaltkreise in lebenden Hirnschnitten. (1993) Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika. 90 (16): 7661-7665.

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Es wurde ein Ansatz zur hochauflösenden Kartierung funktioneller Schaltkreise in lebenden Gehirnschnitten von Säugetieren entwickelt. Die Standorte von Neuronen, die funktionale synaptische Verbindungen zu einem einzelnen Neuron herstellen, werden durch Photostimulation stark begrenzter Bereiche des Schnitts (50–100 Mikrometer Durchmesser) aufgedeckt, während gleichzeitig eine Ganzzellaufzeichnung des interessierenden Neurons aufrechterhalten wird. Die Photostimulation wird erreicht, indem Gehirnschnitte in einer molekularen Käfigform des Neurotransmitters Glutamat [L-Glutaminsäure-alpha-(4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl)ester] gebadet werden, der dann durch kurze Impulse (< 1 ms Dauer) ultravioletter Bestrahlung. Die direkte Aktivierung von Rezeptoren auf aufgezeichneten Neuronen im Hippocampus und im visuellen Kortex von Frettchen zeigt, dass die Photostimulation zuverlässig und reproduzierbar ist und an derselben Stelle mindestens 30 Mal wiederholt werden kann, ohne dass die neuronale Reaktionsfähigkeit offensichtlich abnimmt. Die Photostimulation präsynaptischer Neuronen an Orten, die weit vom aufgezeichneten Neuron entfernt sind, löste synaptische Reaktionen in Hippocampus- und Kortikaliszellen in Abständen von bis zu mehreren Millimetern vom aufgezeichneten Neuron aus. Die Stimulation von 25–100 verschiedenen präsynaptischen Stellen bei gleichzeitiger Aufzeichnung von einem einzelnen postsynaptischen Neuron konnte problemlos erreicht werden. Die auf Glutamat basierende Fotostimulation im Käfig beseitigt Artefakte und Einschränkungen, die herkömmlichen Stimulationsmethoden innewohnen, einschließlich der Stimulation von Passageaxonen, der Desensibilisierung und der schlechten zeitlichen Auflösung von „Puffer“-Pipetten sowie der aktuellen Artefakte der iontophoretischen Anwendung. Dieser Ansatz ermöglicht eine detaillierte physiologische Untersuchung und Manipulation der komplexen intrinsischen Schaltkreise des Gehirns von Säugetieren.

Katz, LC, Callaway, EM Entwicklung lokaler Schaltkreise im visuellen Kortex von Säugetieren. (1992) Jahresrückblick der Neurowissenschaften. 15:31-56. DOI: 10.1146/annurev.ne.15.030192.000335

Callaway, EM, Katz, LC Entwicklung axonaler Lauben von Schicht-4-Stachelneuronen im quergestreiften Kortex von Katzen. (1992) Journal of Neuroscience. 12 (2): 570-582.

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Stachelige Neuronen in Schicht 4 des quergestreiften Kortex der Katze sind die primären Empfänger genikulokortikaler Afferenzen und stellen wichtige Verbindungen zu anderen kortikalen Schichten für die Verarbeitung visueller Informationen bereit. Mittels intrazellulärer Färbung untersuchten wir die Entwicklung der lokalen axonalen Projektionen dieser Neuronen, um zu bestimmen, (1) ob die laminare Spezifität ihrer Projektionen spezifisch entstand oder aus vorübergehenden, überschwänglichen Projektionen geformt wurde und (2) ob die Entstehung erregender Verbindungen aus Schicht 4 zur Schicht 2/3 könnten zur aktivitätsabhängigen Entwicklung geclusterter horizontaler Verbindungen von Pyramidenneuronen der Schicht 2/3 beitragen. Unterschiede im Ausmaß der Projektionen zu infragranularen Schichten (Schichten 5 und 6, die spärliche Projektionen erhalten) und oberflächlichen Schichten (Schichten 2/3 und 4, die umfangreiche Projektionen erhalten) haben sich von Anfang an spezifisch entwickelt. Bis zum 15. postnatalen Tag (P15) reiften die Projektionen in die infragranulären Schichten und waren nicht mehr von denen des ältesten untersuchten Tieres (P33) zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu nahm die Komplexität der Projektionen auf oberflächliche Schichten nach P15 weiter zu. Die Projektionen innerhalb der Schicht 4, die in allen untersuchten Altersstufen am aufwendigsten waren, erreichten ihren Reifegrad bei etwa P20, während die Projektionen in Schicht 2/3 bis P33 weiter an Komplexität zunahmen. Es wurden keine Hinweise auf überschwängliche Projektionen auf eine dieser kortikalen Schichten beobachtet. Im sehr frühen postnatalen Alter (P5) waren Projektionen in die Unterplattenregion erkennbar. Diese verschwanden zwischen P8 und P11, was auf das Vorhandensein vorübergehender Verbindungen von Schicht-4-Stachelneuronen zu Subplattenneuronen hindeutet. Der binokulare Mangel verhinderte nicht die Entstehung von Projektionen von Schicht-4-Stachelneuronen in Schicht 2/3 oder die Entwicklung normaler laminarer Unterschiede in der Projektionsdichte. Verbindungen von Schicht 4 zu Schicht 2/3 entstanden, nachdem horizontale Verbindungen in Schicht 2/3 grob geclustert wurden, jedoch synchron mit der späteren Verfeinerung der Cluster. Kollateralen von Schicht-4-Zellen kreuzten erstmals bei P3 in Schicht 11, waren jedoch extrem kurz (sie erstreckten sich nur 50–200 Mikrometer über die laminare Grenze hinaus) und ungewöhnlich (nur 4 von 19 Zellen). Da bei P8 horizontale Projektionen von Schicht-2/3-Pyramidenneuronen bereits grob geclustert sind, ist die Entstehung grober Clusterbildung wahrscheinlich unabhängig von den erregenden Projektionen von Schicht 4 bis Schicht 2/3. Der Anteil der Zellen, die in die Schicht 2/3 hineinragen, und die Komplexität ihrer Dorne nahmen beide in den darauffolgenden Wochen zu, was genau mit dem Zeitpunkt sowohl der Verfeinerung grob gebündelter horizontaler Verbindungen als auch der Entstehung der visuellen Reaktionsfähigkeit in Schicht 2/3 übereinstimmte. (ZUSAMMENFASSUNG (auf 400 Wörter gekürzt)

Callaway, EM, Katz, LC Entstehung und Verfeinerung gruppierter horizontaler Verbindungen im gestreiften Kortex von Katzen. (1990) Journal of Neuroscience. 10 (4): 1134-1153.

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Pyramidenzellen in Schicht 2/3 des gestreiften Kortex einer erwachsenen Katze haben lange, intrinsische horizontale Axonkollateralen sowohl in Schicht 2/3 als auch in Schicht 5. Diese Kollateralen bilden periodische „Cluster“ aus feineren Axonzweigen, die Säulen mit ähnlicher Orientierungsselektivität verbinden. Wir haben die Abfolge von Ereignissen und mögliche Mechanismen untersucht, die der Entwicklung dieser gehäuften intrinsischen horizontalen Verbindungen zugrunde liegen, indem wir eine Kombination aus neuronalen Tracern und intrazellulärer Färbung verwendet haben. Kleine Injektionen fluoreszierender Latex-Mikrokügelchen, die während der ersten postnatalen Woche (bei P4-6) vorgenommen wurden, führten bei der Untersuchung in Tangentialschnitten zu einer gleichmäßigen, nicht gruppierten Verteilung retrograd markierter Zellen bis zu 2 mm von der Injektionsstelle entfernt. Bei P8 erstreckte sich die retrograde Markierung über einen größeren Bereich und es war eine Clusterbildung vor allem bei den am weitesten entfernten markierten Zellen erkennbar. Sowohl bei P6 als auch bei P8 war die Markierung in den Schichten 2/3 und 5 ähnlich, was darauf hindeutet, dass der Übergang von geclusterten zu nicht geclusterten Verbindungen gleichzeitig für Zellen in oberflächlichen und tiefen Schichten erfolgte. Am Ende der zweiten postnatalen Woche (P12–15) waren retrograd markierte Zellen weitaus stärker geclustert, sowohl innerhalb als auch außerhalb der P6-Markierung; Die Dichte der markierten Zellen war im gesamten markierten Bereich hoch, innerhalb der Cluster jedoch viel höher. Die Periodizität dieser entstehenden Cluster war ähnlich wie bei Erwachsenen. Trotz offensichtlicher Clusterbildung unterschied sich das Muster der retrograden Markierung, das nach den Injektionen nach 2–3 Wochen (P12–21) beobachtet wurde, deutlich vom Muster bei Erwachsenen, da die Regionen zwischen den Clustern viele markierte Zellen enthielten. Im Laufe der nächsten drei Wochen wurden die Zusammenhänge verfeinert, sodass in der sechsten postnatalen Woche (P3-36) die Regionen zwischen den Clustern nur sehr wenige retrograd markierte Zellen enthielten und das Gesamtmuster der retrograden Markierung nicht von dem bei Erwachsenen zu unterscheiden war. Trotz Unterschieden im postmigratorischen Alter von Neuronen aus den oberflächlichen und tiefen Laminae war die Häufung retrograd markierter Zellen aus diesen beiden Populationen in allen Altersstufen ähnlich. Experimente, bei denen zwischen der Injektion der Mikrokügelchen und der Tötung der Tiere zwei bis drei Wochen vergingen, zeigten, dass weder die anfängliche Bildung roher Cluster noch deren Verfeinerung auf Zelltod zurückzuführen war. Stattdessen resultierte die Clusterverfeinerung aus der Eliminierung spezifischer Prozesse. Als auf eine Injektion roter Mikrokügelchen bei P38 eine Injektion grüner Mikrokügelchen an genau derselben Stelle auf P2 folgte, führte die frühere Injektion erwartungsgemäß zu einer groben Clusterbildung. Praktisch alle durch die spätere Injektion doppelt markierten Zellen befanden sich in den dichtesten Markierungsclustern der frühen Injektion. (Zusammenfassung auf 2 Wörter gekürzt)

Callaway, EM, Soha, JM, Van Essen, DC Unterschiedlicher Verlust neuromuskulärer Verbindungen je nach Aktivitätsniveau und Wirbelsäulenposition neugeborener Soleus-Motoneuronen von Kaninchen. (1989) Journal of Neuroscience. 9 (5): 1806-1824.

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Wir haben getestet, ob die Fähigkeit von Synapsen, während der neuromuskulären Synapseneliminierung um die Besetzung von Endplatten zu konkurrieren, durch Unterschiede in der Wirbelsäulenposition oder im Aktivitätsniveau des übergeordneten Motoneurons beeinflusst wird. Um die Rolle der Wirbelsäulenposition zu testen, wurden die relativen Größen der motorischen Einheiten für Motoneuronen aus mittleren und extremen (rostralen/kaudalen) Positionen im Soleus-Motorpool von Kaninchen in drei postnatalen Altern bestimmt: 3–4 Tage („frühes“ Alter), wenn der Soleus stark polyinnerviert ist), 5–8 Tage („intermediär“) und 9–11 Tage („spät“, wenn der Soleus gerade den einfach innervierten Zustand erreicht hat). Die durchschnittlichen Größen der motorischen Einheiten der extremen ventralen Wurzeln ähnelten denen der mittleren ventralen Wurzeln in den Soleusmuskeln im frühen Alter, waren jedoch sowohl bei den mittleren als auch bei den späten Muskeln deutlich kleiner (um 15–18 %). Somit konkurrieren Motoneuronen aus extremen Positionen offensichtlich weniger effektiv um den Erhalt von Synapsen als diejenigen aus mittleren Positionen. Um die Rolle der unterschiedlichen Aktivität zu testen, wurden inaktive und aktive Synapsen direkt gegeneinander ausgespielt, indem mit Tetrodotoxin (TTX) beladene Silastic-Pfropfen in einen der Spinalnerven implantiert wurden, der eine Minderheit der motorischen Axone des Soleus enthielt. Die unterschiedliche Aktivität blieb während eines Zeitraums mit ausgedehntem Synapsenverlust vom Zeitpunkt der Implantation am 27. oder 4. Tag bis zum mittleren Alter (Tag 5–8) erhalten. Anschließend wurden die Zuckungsspannungen der motorischen Einheiten gemessen, um die relative Anzahl der Synapsen zu bestimmen, die von einzelnen aktiven und inaktiven Motoneuronen erhalten blieben. Die inaktivierten motorischen Einheiten waren im Durchschnitt deutlich größer (um mehr als 9 %) als die entsprechende Gruppe aus normalen und Kontroll-implantierten Tieren. Die ungewöhnlich große Größe der inaktivierten motorischen Einheiten blieb bei Tieren bestehen, die sich von der TTX-Blockade erholen konnten und nach dem Verschwinden der multiplen Innervation untersucht wurden. Daher kann die Wirkung der TTX-Blockade nicht auf eine einfache Verlangsamung der Synapseneliminierung speziell bei den inaktiven Motoneuronen zurückgeführt werden. Wir kommen zu dem Schluss, dass eine vollständige präsynaptische Inaktivität die Überlebenschancen im Vergleich zu einer normalen Aktivität während der Synapseneliminierung im Soleusmuskel des neugeborenen Kaninchens verbessert. Dieser Unterschied in der Wettbewerbsfähigkeit kann zur Entwicklung eines wichtigen Merkmals erwachsener Muskeln beitragen, nämlich der Korrelation zwischen der Größe motorischer Einheiten und der Rekrutierungsschwelle.

Callaway, EM, Van Essen, DC Verlangsamung der Synapseneliminierung durch Alpha-Bungarotoxin-Superfusion des neugeborenen Kaninchen-Soleusmuskels. (1989) Entwicklungsbiologie. 131 (2): 356-365.

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Um die Rolle der postsynaptischen Aktivität bei der Regulierung der Geschwindigkeit der neuromuskulären Synapseneliminierung zu untersuchen, wurde die kontraktile Aktivität der Soleusmuskeln neugeborener Kaninchen durch chronische Superfusion von Alpha-Bungarotoxin (Alpha-BGT) über ihre Oberflächen verringert. Die Superfusion wurde 6 Tage nach der Geburt begonnen und über eine variable Dauer (2 bis 5 Tage) fortgesetzt, bevor die Muskeln analysiert wurden. Der Prozentsatz polynervierter Fasern wurde sowohl physiologisch als auch anatomisch für mit Alpha-BGT behandelte Muskeln und ihre kontralateralen Muskeln sowie für normale und Kontrollmuskeln gleichen Alters beurteilt. Bei den Muskeln, die Alpha-BGT ausgesetzt waren, war die Polyinnervation deutlich größer als bei den Muskeln aus jeder Kontrollgruppe. Die anatomische Untersuchung ergab außerdem, dass die Beibehaltung der Polyinnervation in mit Alpha-BGT behandelten Muskeln nahe der Muskeloberfläche am stärksten ausgeprägt war, obwohl auch die Endplatten in der Mitte betroffen waren. Dieser Befund, gepaart mit dem Beweis, dass nur ein kleiner Prozentsatz der Muskelfasern vollständig inaktiviert war, legt nahe, dass die Aktivitätsblockade auch nahe der Oberfläche am stärksten ausgeprägt und in der Muskelmitte relativ gering war. Der Prozentsatz der Endplatten, bei denen die Synapseneliminierung verzögert war, war größer als der geschätzte Prozentsatz, deren Aktivität vollständig blockiert war, was darauf hindeutet, dass der Synapsenverlust selbst in Muskelfasern verlangsamt wurde, die eine gewisse postsynaptische Aktivität beibehielten. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Geschwindigkeit der Synapseneliminierung von der Konzentration funktionsfähiger Acetylcholinrezeptoren abhängt. Dieser Prozess könnte in abgestufter Weise durch Veränderungen der postsynaptischen Aktivität (unterschwellig oder überschwellig) oder durch einen nichtelektrischen Effekt der Blockierung postsynaptischer Rezeptoren vermittelt werden.

Soha, JM, Callaway, EM, Van Essen, DC Mangel an Fasertypselektivität während der Reinnervation des Soleusmuskels von Neugeborenen bei Kaninchen. (1989) Entwicklungsbiologie. 131 (2): 401-414.

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Schnell und langsam kontrahierende Fasern in der Skelettmuskulatur neonataler Säugetiere werden jeweils auf hochspezifische Weise von Motoneuronen des entsprechenden Typs innerviert, selbst in einem Alter, in dem Polyinnervation weit verbreitet ist. Chemospezifische Erkennung ist ein möglicher Mechanismus, durch den dieses Innervationsmuster etabliert werden könnte. Wir haben diese Möglichkeit untersucht, indem wir den Grad der Spezifität während der Reinnervation des Soleus-Muskels von Kaninchen nach einer Nervenquetschung am 1. oder 4. postnatalen Tag untersucht haben. Wir haben die Zusammensetzung der Fasertypen untersucht, indem wir die Zuckungsanstiegszeiten motorischer Einheiten innerhalb von 2 Tagen nach Beginn der funktionellen Reinnervation gemessen haben (5-6 Tage nach Nervenquetschung). Im Gegensatz zur breiten, bimodalen Verteilung der Anstiegszeiten einzelner motorischer Einheiten in normalen Muskeln ergaben motorische Einheiten in reinnervierten Muskeln eine engere, unimodale Verteilung der Anstiegszeiten. Die Anstiegszeiten reinnervierter Einheiten lagen zwischen denen normaler schneller und langsamer Einheiten, was darauf hindeutet, dass reinnervierte Einheiten aus einer Mischung schnell und langsam kontrahierender Fasern bestanden. Eine alternative Möglichkeit, dass die spezifische Reinnervation durch die kontraktile Dedifferenzierung der Muskelfasern maskiert wurde, wurde untersucht, indem eine durch eine Botulinumtoxinvergiftung induzierte Übertragungsblockade über einen entsprechenden Zeitraum aufrechterhalten wurde. Die Zuckungsanstiegszeiten der behandelten motorischen Einheiten zeigten die deutlich bimodale Verteilung, die für normale Muskeln charakteristisch ist, was darauf hindeutet, dass Muskelfasern während einer vorübergehenden Denervationsphase die kontraktile Diversität beibehalten können. Wir haben Computersimulationen durchgeführt, um das Ausmaß der Anstiegszeitdiversität abzuschätzen, die durch unterschiedliche Spezifitätsgrade während der Reinnervation hervorgerufen wird. Basierend auf dieser Analyse kommen wir zu dem Schluss, dass es in den untersuchten Altersgruppen kaum oder gar keine selektive Reinnervation von Muskelfasertypen gibt.

Callaway, EM, Soha, JM, Van Essen, DC Konkurrenz zugunsten inaktiver gegenüber aktiven Motoneuronen während der Synapseneliminierung. (1987) Natur. 328(6129):422-426. DOI: 10.1038/328422a0

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Edward Callaway, PhD

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