Axonal, molecular and temporal diversity of pyramidal cells in the ventral CA1 of the hippocampus

The hippocampus occupies a high level within the cortical hierarchy dedicated to the representation of spatial learning, episodic memory and associative learning. Its contributions vary along the septo-temporal axis. The subject of this thesis is the "ventral" hippocampus (at the temporal pole), that is involved in modulating stress responses and motivated or emotional behaviors, supported by widespread long-range projections to the related subcortical and cortical regions. Previous tracing studies could not characterize projections of individual neurons together with their cellular identity and their activity patterns. This study focused on pyramidal neurons in the ventral CA1 hippocampus, which provides the main output of the hippocampus. I have identified three main long-range projection routes, enabling individual neurons to innervate the following targets: The first branch runs directly antero-dorsally through the fimbria/fornix system towards the septal complex, hypothalamus, ventral striatum and olfactory areas. Via the second (also direct) route, the axons leave the ventral hippocampus before travelling antero-ventrally to the amygdaloid complex, amygdalo-hippocampal transition areas and/or caudo-ventrally to the parahippocampal, temporal associational and olfactory-related caudal regions. The third route, which is the classical one, first branches in the str. oriens and innervates the local CA1 before running caudo-ventrally, giving rise to branches that innervate the ventral subiculum. After leaving this area it targets the caudal subicular complex and parahippocampal areas. Calbindin positive neurons were shown to innervate the stratum moleculare of the ventral subiculum locally, the neurochemically distinct calbindin negative neurons avoided this subregion. Furthermore, I observed that calbindin negative cells are usually projecting more widespread and calbindin positive cells have a high local connectivity, but less extended extrahippocampal projections indicating a certain level of correlation between the neurochemical profile and the projection pattern of a neuron. These results suggest that ventral hippocampal pyramidal neurons may form different subpopulations based on their local intrahippocampal and extrahippocampal projection fields and neurochemical profiles.Innerhalb der kortikalen Hierarchie, welche für räumliches Denken und Lernen, episodisches Gedächtnis sowie assoziatives Denken zuständig ist, nimmt der Hippocampus eine wichtige Stellung ein. Seine Funktionen variieren entlang der septo-temporalen Achse. Das Thema dieser Doktorarbeit ist der ventrale Hippocampus (am Schläfenpol), welcher an der Regulierung von Stressreaktionen sowie an motiviertem und emotionalem Verhalten beteiligt ist. Dies wird von weitläufigen Langstreckenprojektionen zu verschiedenen subkortikalen und kortikalen Regionen unterstützt. Frühere Tracing-Studien konnten Projektionen einzelner Nervenzellen zusammen mit ihren anatomischen Identitäten und elektrophysiologischen Eigenschaften nicht adequat beschreiben. Diese Studie konzentrierte sich auf Pyramidenzellen im ventralen Hippocampus, auf jene Neuronen welche den Hauptoutput aus der CA1 Region bilden. Drei primäre Langstreckenprojektionen wurden identifiziert, welche individuellen Neuronen ermöglicht folgenden Regionen zu innervieren: Die erste Route läuft direkt in antero-dorsaler Richtung durch die Fimbria/Fornix in Richtung des Septums, des Hypothalamus, des ventralen Striatums und des Geruchzentrums. Über die zweite (ebenfalls direkte) Route verlassen die Axone den ventralen Hippocampus bevor sie in antero-ventraler Richtung zur Amygdala, dem Übergang zwischen Amygdala und Hippocampus, beziehungsweise in caudo-ventraler Richtung zu den parahippocampalen und temporal-assioziativen Regionen sowie kaudalen Regionen, welche mit Geruchswahrnehmung assoziiert werden, weiterlaufen. Die dritte, klassische, Route verzweigt sich zuerst im str. oriens und innerviert die lokale CA1 Region. Danach verläuft sie caudo-ventral wo die Verzweigungen das ventrale Subiculum innervieren. Nachdem die Axone diese Region verlassen haben, verlaufen sie weiter in Richtung des kaudalen Subiculums und zu parahippocampalen Regionen. Calbindin-positive Nervenzellen innervieren das Stratum molekulare des ventralen Subiculums lokal, während die neurochemisch davon getrennte Gruppe der Calbindin-negativen Neuronen diese Region eher meiden. Desweiteren beobachtete ich, dass Calbindin-negative Neurone weitläufigere Projektionen haben, während Calbindin-positive Neuronen eine höhere lokale Konnektivität, jedoch weniger stark verzweigte Projektionen außerhalb des Hippocampus aufweisen. Dies zeigt ein gewisses Ausmaß an Korrelation zwischen dem neurochemischen Profil und dem Projektionsschema von hippocampalen Nervenzellen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Pyramidenzellen des ventralen Hippocampus wahrscheinlich verschiedene Untergruppen bilden. Diese unterscheiden sich in ihren Projektionen sowohl lokal innerhalb und außerhalb den Hippocampus sowie in ihren neurochemischen Profilen.submitted by Antonia ArszovszkiZsfassung in dt. SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2014OeBB(VLID)171608