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Layer 5 pyramidal neurons of the vibrissal cortex are output neurons that project to subcortical structures. Their extensive distal branches end in layer 1 forming the apical tuft and are considered to perform high- level integration of cortical signals. These tufts are experimentally inaccessible to direct electrical recordings due to their small size. Thus, no data is available yet regarding synaptic signaling in these distant branches and spines. In this work, a new double- patch loading technique was developed in order to investigate the morphological and functional properties of the distal spines and dendrites. The double- patch technique in combination with high- speed acousto- optical deflector (AOD) - based two- photon scanning microscopy allowed to perform calcium imaging from individual terminal spines and dendritic shafts and to characterize transmission in distal synapses. The present study provided new insights in the function of dendrites and spines in cortical network of the mammalian brain including a high release probability rate in the apical tuft synapses and the cooperativity of neighboring synapses on the same dendritic branch. Pyramidenneuronen der Schicht 5 des somatosensorischen Kortex besitzen Ausgänge zu subkortikalen Strukturen. Ihre ausladenden, distalen Ausläufer bilden einen Dendritenbaum, den sogenannten „apikalen tuft“, der in die Schicht 1 des Kortex reicht. Man geht davon aus, dass sie für die übergeordnete Integration kortikaler Signale verantwortlich sind. Wegen ihrer feinen Struktur ist es technisch nicht möglich elektrophysiologische Messungen an den terminalen Ausläufern durchzuführen. Aus diesem Grund liegen bislang keine Daten über die synaptische Übertragung in den distalen Ausläufern und deren „Spines“ vor. In der vorliegenden Arbeit wurde eine spezielle Technik zur Beladung der distalen „Spines“ und Dendriten von Pyramidenzellen der Schicht 5 entwickelt, um deren morphologische und funktionelle Eigenschaften zu untersuchen. Die neu entwickelte Technik erlaubt, in Kombination mit schneller akusto-optischer Deflektor (AOD)-basierender Zwei-Photonenmikroskopie Kalziumsignale von individuellen terminalen „Spines“ und Dendritenbäumen zu erfassen und die Übertragung in distalen Synapsen zu charakterisieren. Die Untersuchungen führten zu neuen Erkenntnissen bezüglich der Funktion von Dendriten und „Spines“ im kortikalen Netzwerk des Säugergehirns, wie unter anderem eine hohe Freisetzungsrate in Synapsen des apikalen Dendritenbaums und eine Kooperativität benachbarter Synapsen, die auf demselben Dendritenbaum lokalisiert sind. |
