Electrophysiological and morphological identification of neurons in the rat superior colliculus and their synaptic connections with nuclei involved in oculomotricity

Abstract

The Superior Colliculus (SC) is a subcortical layered structure of the mammalian midbrain, whose role in visual and visually guided behaviors is well-conserved across species. The superficial layers of the SC (sSC) receive input from the retina and project to the intermediate layers of the SC. In the rat, they also send projections to the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN), and the Lateral Posterior Nucleus of Thalamus (LP), through which they are thought to relay information to visual association areas of the cortex. The afferent sources of the intermediate and deep collicular layers include a variety of sensory, and motor areas, the retina, as well as a variety of subcortical structures. Equally diverse are the projections from these layers. These include crossed and uncrossed descending projections through the tectospinal and tectobulbar tracts. Ascending projections have also been described to different nuclei. Five main morphological neuronal types (horizontal, marginal, stellate, narrow field vertical, and wide field vertical cells) have been described in the developing and adult sSC of the rat using qualitative criteria of their somatodendritic morphology. In the intermediate and deep layers of SC has also been described a heterogenous population of neurons (medium-sized and wide-field multipolar, vertical, horizontal, wide-field vertical, fusiform, and pyramidal-shaped). Furthermore, neurons that project to the contralateral medial pontine reticular formation (crossed tectoreticular neurons) with multipolar, fusiform, horizontal, pyramidal-shaped, and round-shaped morphologies have been reported in the same layers. Although the somatodendritic morphology of the different classes of SC neurons is well studied in the rat, the axonal projections of each neuronal class have not been studied in detail in rodents. Projections from sSC neurons in the rat have been shown to target various structures, such as the suprageniculate nucleus of thalamus, LP, dLGN, the ventral lateral geniculate nucleus, the parabigeminal nucleus and the pretectum, including the Nucleus of the Optic Tract (NOT), but the somatodendritic morphology of the cells they originate from is largely unknown. The aim of this study was a detailed characterization of collicular projection neurons. To elucidate their structure and function, we combined extracellular recording and juxtacellular labeling, followed by a detailed anatomical reconstruction of labeled neurons. We concluded by performing an ultrastructural analysis of the synaptic contacts of labeled neurons and tested for their neurochemical descriptors, using transmission electron microscopy. Both ascending and descending projecting collicular neurons were identified in this study. The collicular efferents originate from a heterogenous neuronal population that includes neurons with vertically and horizontally oriented dendritic trees. The ascending projections originate from neurons mainly located in the superficial layers of the SC, although we found projections ascending from the intermediate collicular layers. The target nuclei of the ascending projecting neurons include the NOT, olivary pretectal nucleus, the anterior pretectal nucleus, and the LP. The descending collicular projections target the periaqueductal gray, the lateral lemniscus, and the parabigeminal nucleus. Among the projection neurons characterized, of particular importance are neurons that fit the morphological criteria of the wide field (WF) neurons. They have multipolar somata lying in the lower superficial gray and optical layers, and based on quantitative morphological analysis, their spiny dendrites are horizontally oriented relative to the collicular surface, not vertically, as previously described. Their axonal projections are rather emblematic. They target the NOT; thus, we call them NOT projecting superior collicular wide field (SCWFNOT) neurons. We validated the morphological categorization of this neuronal type as a distinct neuronal class with the help of unsupervised hierarchical cluster analysis. Our ultrastructural data reveal that the neurons classified as SCWFNOT neurons form excitatory connections with their targets within the NOT, and two of them tested express the calcium binding protein parvalbumin. The novel finding of this study is the subclass of WF neurons that project to the NOT (SCWFNOT). Previous rodent studies predominantly concentrated on the extensive projection of WF neurons through the LP as a means for information to access the visual association areas of the cortex. Our data indicate that this specific WF neuronal subclass might be involved in the optokinetic nystagmus.

Το Άνω Διδύμιο (ΑΔ) είναι μια υποφλοιώδης δομή στο μεσεγκέφαλο των θηλαστικών, η οποία αποτελείται από εναλλασσόμενες στιβάδες κυτταρικών σωμάτων και ινών. Ο ρόλος του σε οπτικές και οπτικά καθοδηγούμενες συμπεριφορές είναι εξελικτικά συντηρημένος σε διάφορα είδη. Οι επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ λαμβάνουν είσοδο από τον αμφιβληστροειδή και προβάλλουν στις διάμεσες στιβάδες. Επίσης, στον επίμυ, στέλνουν προβολές στο άνω έξω γονατώδες σώμα και στον έξω οπίσθιο θαλαμικό πυρήνα, μέσω του οποίου μεταφέρουν πληροφορία σε συνειρμικές περιοχές του οπτικού φλοιού. Οι προσαγωγοί προς τις διάμεσες και τις εν τω βάθει στιβάδες του διδυμίου προέρχονται από τον αμφιβληστροειδή, ποικίλες αισθητικές και κινητικές περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού, καθώς και από διάφορες υποφλοιώδεις δομές. Εξίσου ετερογενείς είναι και οι προβολές από αυτές τις στιβάδες, οι οποίες περιλαμβάνουν χιαζόμενες και μη, κατιούσες προβολές μέσω του τετραδυμονωτιαίου και του τετραδυμοβολβοειδούς δεματίου. Ανιούσες προβολές έχουν περιγραφεί προς διαφορετικούς πυρήνες του εγκεφάλου. Στον αναπτυσσόμενο και τον ενήλικο εγκέφαλο του επίμυος έχουν περιγραφεί πέντε διαφορετικοί τύποι νευρώνων στις επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ (νευρώνες στενού δενδριτικού πεδίου, νευρώνες με ευρύ δενδριτικό πεδίο, οριζόντιοι, αστεροειδείς και οριακοί νευρώνες). Αυτή η κατηγοριοποίηση έχει βασιστεί σε ποιοτικά χαρακτηριστικά της σωματοδενδριτικής μορφολογίας αυτών των κυττάρων. Στις διάμεσες και τις βαθιές στιβάδες του ΑΔ έχει, επίσης, περιγραφεί ένας ετερογενής πληθυσμός κυττάρων (μέσου μεγέθους και ευρέος πεδίου πολύπολοι, κάθετοι, οριζόντιοι, ευρέος πεδίου κάθετοι, ατρακτοειδείς, και πυραμιδοειδείς). Επιπλέον, στις ίδιες στιβάδες έχουν αναφερθεί νευρώνες που προβάλλουν στον αντίπλευρο μέσο δικτυωτό σχηματισμό (χιαζόμενοι τετραδυμοδικτυωτοί νευρώνες), που μορφολογικά είναι πολύπολοι, ατρακτοειδείς, οριζόντιοι, πυραμιδοειδείς και σφαιρικοί. Μολονότι η σωματοδενδριτική μορφολογία των διαφόρων κυτταρικών ομάδων των επιπολής στιβάδων του ΑΔ είναι καλά μελετημένη στον επίμυ, οι νευραξονικές προβολές τους δεν έχουν μελετηθεί λεπτομερώς στα τρωκτικά. Προβολές από τα κύτταρα των επιφανειακών στιβάδων του ΑΔ του επίμυος έχουν δειχθεί να στοχεύουν ποικίλες εγκεφαλικές δομές, όπως το άνω έξω γονατώδες σώμα, ο έξω οπίσθιος θαλαμικός πυρήνας, ο κοιλιακός έξω γονατώδης πυρήνας, ο υπεργονατώδης πυρήνας του θαλάμου, ο παραδιδυμικός πυρήνας και η προτετραδυμική περιοχή, συμπεριλαμβανομένου του πυρήνα της οπτικής ταινίας. Ωστόσο, είναι ακόμα υπό διερεύνηση ποιοι είναι οι συγκεκριμένοι κυτταρικοί τύποι που προβάλλουν στις περιοχές αυτές.Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να χαρακτηρίσουμε λεπτομερώς προβλητικούς νευρώνες του ΑΔ. Προκειμένου να διευκρινίσουμε τη δομή και λειτουργία των νευρώνων αυτών, συνδυάσαμε την εξωκυττάρια καταγραφή με την παρακυτταρική σήμανση νευρώνων, ακολουθούμενη από τη λεπτομερή ανατομική ανασύσταση των σημασμένων νευρώνων. Τέλος, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης αναλύσαμε τις συναπτικές επαφές των σημασμένων νευρώνων και ελέγξαμε εάν εκφράζουν συγκεκριμένους μοριακούς δείκτες.Προβολές των σημασμένων νευρώνων βρέθηκαν σε διαφορετικούς πυρήνες, ταυτοποιώντας τους νευρώνες σε ανιόντες και κατιόντες. Οι απαγωγοί από το ΑΔ πηγάζουν από έναν ετερογενή πληθυσμό κυττάρων, ο οποίος περιλαμβάνει νευρώνες με κάθετα και οριζόντια προσανατολισμένα δενδριτικά πεδία. Οι ανιούσες προβολές προέρχονται από νευρώνες που, κυρίως, εντοπίζονται στις επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ, παρόλο που βρήκαμε ανιούσες προβολές και από τις διάμεσες στιβάδες. Οι πυρήνες- στόχοι των ανιόντων προβλητικών νευρώνων περιλαμβάνουν τον πυρήνα της οπτικής ταινίας, τον προτετραδυμικό πυρήνα της ελαίας, τον πρόσθιο προτετραδυμικό πυρήνα και τον έξω οπίσθιο πυρήνα του θαλάμου. Οι κατιούσες προβολές στοχεύουν την περιυδραγωγό φαιά ουσία, τον έξω λημνίσκο και τον παραδιδυμικό πυρήνα.Μεταξύ των προβλητικών νευρώνων που ταυτοποιήσαμε, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν νευρώνες που πληρούν τα μορφολογικά κριτήρια εκείνων των ευρέος πεδίου. Έχουν πολύπολα σώματα κείμενα στην κατώτερη επιφανειακή φαιά και στην οπτική στιβάδα του ΑΔ. Με βάση την ποσοτική μορφομετρική ανάλυση, οι ακανθώδεις δενδρίτες τους είναι διατεταγμένοι παράλληλα στην επιφάνεια του ΑΔ, αντίθετα με προηγούμενο χαρακτηρισμό αυτών ως νευρώνων με κάθετο δενδριτικό πεδίο. Οι προβολές τους είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικές, στο ότι στοχεύουν τον πυρήνα της οπτικής ταινίας. Γι’ αυτό το λόγο τους ονομάσαμε Ευρέος Πεδίου Νευρώνες του Άνω Διδυμίου προβλητικούς προς τον Πυρήνα της Οπτικής Ταινίας (NOT projecting superior collicular wide field; SCWFNOT). Επιβεβαιώσαμε τη μορφολογική κατηγοριοποίηση αυτών ως μιας διακριτής τάξης νευρώνων χρησιμοποιώντας μη επιβλεπόμενη ιεραρχική ανάλυση συστάδων (unsupervised hierarchical cluster analysis). Τα δεδομένα από την ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκαλύπτουν ότι οι νευρώνες αυτοί συνάπτονται διεγερτικά με τους στόχους τους στον πυρήνα της οπτικής ταινίας, ενώ δυο από αυτούς που ελέγξαμε εκφράζουν την παρβαλβουμίνη, μια πρωτεΐνη που δεσμεύει ασβέστιο.Το καινοφανές εύρημα της παρούσας μελέτης είναι η υποκατηγορία των νευρώνων ευρέος πεδίου που προβάλλουν προς τον πυρήνα της οπτικής ταινίας. Προηγούμενες μελέτες σε τρωκτικά εστίασαν κυρίως στις εκτεταμένες προβολές των νευρώνων ευρέος πεδίου διαμέσου του έξω οπίσθιου πυρήνα του θαλάμου, θεωρώντας αυτές ως μέσον για την πρόσβαση της πληροφορίας προς φλοιικές οπτικές συνειρμικές περιοχές. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι αυτή η ειδική υποκατηγορία των νευρώνων ευρέος πεδίου μπορεί να εμπλέκεται στον οπτοκινητικό νυσταγμό.