Vasopressinergic action in the olfactory bulb: Substrates and impact on social odor processing

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Abstract (English)

Social discrimination is a behavioral readout from rats. In the experimental paradigm, rats recognize a rat that they previously interacted with so that they show a preference towards a novel rat over the known one. Since the olfactory bulb is necessary for social discrimination, it is believed to be olfactory discrimination. The intrinsic vasopressin system in the olfactory bulb in the context ...

Abstract (English)

Social discrimination is a behavioral readout from rats. In the experimental paradigm, rats recognize a rat that they previously interacted with so that they show a preference towards a novel rat over the known one. Since the olfactory bulb is necessary for social discrimination, it is believed to be olfactory discrimination. The intrinsic vasopressin system in the olfactory bulb in the context of social discrimination has been demonstrated with behavioral pharmacology and the discovery of vasopressin expressing cells in the olfactory bulb using a transgenic rat expressing eGFP under the vasopressin promotor. Although it is suggested that bulbar vasopressin cells are a subpopulation of external/superficial tufted cells and vasopressin application reduces firing rates in mitral cells, detailed electrophysiological and morphological properties as well as synaptic inputs to and synaptic outputs from vasopressin cells were undetermined yet.
Chapter 2 demonstrates electrophysiological and morphological properties of vasopressin cells. My data contributes to revealing unique electrophysiological properties in vasopressin cells. Accordingly, vasopressin cells had slower membrane time constants and higher input resistances compared to other glutamatergic bulbar neurons. Further, even though vasopressin cells were initially categorized as a subpopulation of external tufted cells, firing patterns upon somatic current injections showed that vasopressin cells are dissimilar to classical external tufted cells. Biocytin filling during recordings enabled reconstruction neurite projections of vasopressin cells. Biocytin labeling combined with immunohistochemical visualization of neurophysin 2, a peptide co-expressed with vasopressin, demonstrated vasopressin expression in not only the soma but also their apical and lateral dendrites. Moreover, I found two subtypes of innervations depending on the number of axons crossing the mitral cell layer (MCL). Accordingly, type 1 cells with multiple axons crossing the MCL had denser arborization in the superficial layers and shorter branch lengths than type 2 cells that had a single axon crossing the MCL. Most neuron types in the olfactory bulb including both excitatory and inhibitory neurons are excitable following electrical olfactory nerve stimulation in acute brain slices. Intriguingly, vasopressin cells were highly inhibited following olfactory nerve stimulation. Further, vasopressin bath application reduced amplitudes of olfactory nerve-evoked inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs). However, vasopressin application did not alter the amplitudes of excitatory components in the existence of the GABAA receptor antagonist indicating less inhibition rather than enhanced excitation. These results indicate that olfactory cues alone, i.e., olfactory nerve inputs, are not able to excite vasopressin cells. Therefore, additional inputs than olfactory cues may be required for vasopressin cell excitation.
In chapter 3, inputs that are responsible for activating vasopressin cells were further investigated. First, it was revealed that bulbar vasopressin cells are excitable under the in-vivo condition, although no excitation in vasopressin cells was observed in-vitro. Furthermore, vasopressin cells are more activated during social interaction with a novel juvenile rat than during investigating cotton with water in the experiment using immunohistochemical visualization of eGFP and phosphorylated extracellular signal-regulated kinase (pERK), as a neural activity marker. Second, centrifugal neuromodulators, i.e., serotonin, noradrenaline, and acetylcholine, were examined if they can alter olfactory nerve-evoked inhibition in vasopressin cells in-vitro. Indeed, serotonin and noradrenaline reduced amplitudes of evoked IPSPs. However, acetylcholine showed more prominent effects as inhibition was reversed into excitation, i.e., excitatory postsynaptic potentials or action potentials, in 75 % of examined vasopressin cells. I further showed that the muscarinic cholinergic pathway is mainly responsible for effects on vasopressin cells. Lastly, behavioral pharmacology was performed. Local microinjection of atropine, a muscarinic receptor antagonist, into the olfactory bulb impaired social discrimination and additional microinjection of vasopressin after atropine rescued the impairment. Behavioral results indicate that the impairment by atropine is likely due to the blockade of vasopressin release. In conclusion, I suggest that olfactory inputs and acetylcholine synergistically excite vasopressin cells and presumable vasopressin release from them is involved in social discrimination.

Translation of the abstract (German)

Die Unterscheidung von Artgenossen ist ein soziale Verhaltensfähigkeit von Ratten (Soziale Diskriminierung). Dabei erkennen Ratten einen Artgenossen, mit dem sie zuvor interagiert haben, so dass sie eine Präferenz gegenüber einer unbekannten Ratte gegenüber einer bekannten Ratte zeigen. Da der Bulbus olfactorius für die soziale Diskriminierung notwendig ist, geht man davon aus, dass es sich um ...

Translation of the abstract (German)

Die Unterscheidung von Artgenossen ist ein soziale Verhaltensfähigkeit von Ratten (Soziale Diskriminierung). Dabei erkennen Ratten einen Artgenossen, mit dem sie zuvor interagiert haben, so dass sie eine Präferenz gegenüber einer unbekannten Ratte gegenüber einer bekannten Ratte zeigen. Da der Bulbus olfactorius für die soziale Diskriminierung notwendig ist, geht man davon aus, dass es sich um eine Form von olfaktorischer Diskriminierung handelt. wurde mit. Auf Grundlage verhaltenspharmakologischer Experimente und der Entdeckung von Vasopressin exprimierenden Zellen im Bulbus olfactorius konnte die Rolle des intrinsischen Vasopressin-Systems im Bulbus olfactorius für die soziale Diskriminierung nachgewiesen werden. Obwohl vermutet wird, dass die bulbären Vasopressin-Zellen eine Subpopulation der Büschelzellen sind und die Vasopressin-Applikation die Erregung von Büschelzellen reduziert, waren die detaillierten elektrophysiologischen und morphologischen Eigenschaften sowie die synaptischen Eingänge zu und die synaptischen Ausgänge von den Vasopressin-Zellen noch nicht untersucht.
In Kapitel 2 werden elektrophysiologische und morphologische Eigenschaften von Vasopressin-Zellen aufgezeigt. Demnach hatten Vasopressin-Zellen im Vergleich zu anderen glutamatergen bulbären Neuronen langsamere Membranzeitkonstanten und höhere Eingangswiderstände. Obwohl die Vasopressin-Zellen ursprünglich als Subpopulation der externen Büschelzellen kategorisiert wurden, zeigten die Erregungsmuster somatischen Strominjektionen, dass Vasopressin-Zellen den klassischen externen Büschelzellen unähnlich sind. Mittels Immunhistochemischer Färbungen konnte ich zeigen, dass Vasopressin nicht nur im Soma, sondern auch in apikalen und lateralen Dendriten von Vasopressin Zellen exprimiert wird. Außerdem fand ich zwei Subtypen von bulbären Vasopressin Zellen. Demnach hatten Zellen vom Typ 1 mit mehreren die Mitralzellschicht (MZS) kreuzenden Axonen eine dichtere Verzweigung in den oberflächlichen Schichten und kürzere axonal Verzweigungen als Zellen vom Typ 2, bei denen nur ein einziges Axon die MZS kreuzte. In akuten Hirnschnitten sind die meisten Neuronentypen im Bulbus olfactorius, darunter sowohl exzitatorische als auch inhibitorische Neuronen, durch elektrische Stimulation des olfaktorischen Nervs erregbar. Interessanterweise wurden Vasopressin-Zellen nach Stimulation des olfaktorischen Nervs stark gehemmt. Darüber hinaus reduzierte Vasopressin Gabe die Amplituden der durch den olfaktorischen Nerv evozierten inhibitorischen postsynaptischen Potentiale (IPSPs). Allerdings veränderte die Vasopressin Gabe die Amplituden der exzitatorischen Komponenten in Gegenwart des GABAA-Rezeptor-Antagonisten nicht, was eher auf eine geringere Hemmung als auf eine verstärkte Erregung hinweist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass olfaktorische Signale allein, nicht in der Lage sind Vasopressin-Zellen zu erregen. Daher sind für die Erregung von Vasopressin-Zellen möglicherweise zusätzliche Inputs neben olfaktorischen Signalen erforderlich.
In Kapitel 3 wurden die Eingänge, die für die Aktivierung von Vasopressin-Zellen verantwortlich sind, weiter untersucht. Zunächst zeigte sich, dass bulbäre Vasopressin-Zellen unter in-vivo-Bedingungen erregbar sind, obwohl in-vitro keine Erregung von Vasopressin-Zellen beobachtet wurde. Darüber hinaus sind Vasopressin-Zellen während der sozialen Interaktion mit einer unbekannten juvenilen Ratte stärker aktiviert als während der Untersuchung von Wasserkontrollen. Für dieses Experiment wurde eGFP und phosphorylierte extrazellulärer signalregulierter Kinase (pERK), als neuronaler Aktivitätsmarker, immunhistochemisch visualisiert. Außerdem wurden zentrifugale Neuromodulatoren, d.h. Serotonin, Noradrenalin und Acetylcholin, daraufhin untersucht, ob sie die durch den olfaktorischen Nerv evozierte Hemmung in Vasopressin-Zellen in-vitro verändern können. In der Tat reduzierten Serotonin und Noradrenalin die Amplituden der evozierten IPSPs. Acetylcholin zeigte jedoch deutlichere Effekte, da die Hemmung in 75 % der untersuchten Vasopressin-Zellen in Erregung, d. h. in exzitatorische postsynaptische Potenziale oder Aktionspotenziale, umgewandelt wurde. Weiterhin konnte ich zeigen, dass der muskarinerge cholinerge Signalweg hauptsächlich für die Effekte auf Vasopressin-Zellen verantwortlich ist. Zum Schluss wurde ein verhaltenspharmakologisches Experiment durchgeführt. Die lokale Mikroinjektion von Atropin, einem Muskarin Rezeptor-Antagonisten, in den Riechkolben beeinträchtigte die soziale Diskriminierung und die zusätzliche Mikroinjektion von Vasopressin nach Atropin hob die Beeinträchtigung wieder auf. Die Verhaltensergebnisse zeigen, dass die Beeinträchtigung durch Atropin wahrscheinlich auf die Blockade der Vasopressin-Freisetzung zurückzuführen ist. Also möchte ich schlussfolgern, dass olfaktorische Eingänge und zentrifugales Acetylcholin synergistisch Vasopressin-Zellen erregen was vermutlich zu Vasopressin-Freisetzung führt, die für die sozialen Diskriminierung benötigt wird.