Structural Organization of the Mouse Prefrontal Cortex

ondanks uitgebreide studie is er veel verwarring over wat de PFC vormt. deze verwarring is te wijten aan het feit dat de PFC een enorme variatie vertoont tussen de soorten. Deze variatie maakt het moeilijk om standaard anatomische criteria zoals cytoarchitectuur en connectiviteit, met name de aanwezigheid of afwezigheid van een korrelige zone, te gebruiken om de primaire componenten van de PFC te definiëren. Cytoarchitectonische beschrijvingen van de muis PFC werden voor het eerst gedocumenteerd door Rose (Rose, 1929). Rose verdeelde de cortex dorsale en rostrale naar de pincet major van het corpus callosum in granulaire en agranulaire precentrale cortex (regio precentralis granularis en agranularis). De mediale wand was verdeeld in twee limbische gebieden: een gebied infraradiata intermedia ventralis anterior en een gebied infradadialis dorsalis anterior. Het ventrolaterale aspect van de frontale cortex boven de rhinale spleet werd geïdentificeerd als agranulaire insulaire cortex. In de albinorat identificeerde Krieg (1947) zes regio ’s binnen de frontale cortex, waarbij een aantal van Rose’ s omschrijvingen ter discussie werd gesteld (Krieg, 1947). Hij betoogde dat er cytoarchitectonische verschillen waren die het mogelijk maakten om een premotorisch en een frontaal polair gebied te onderscheiden binnen Rose ‘ s Regio precentralis. Hij verdeelde ook de cortex dorsaal aan de neusholte in twee gebieden. Vele jaren later, Caviness (1975) opnieuw onderzocht de muis neocortex en verwierp een deel van Krieg ‘ s onderverdeling. In het frontale gebied onderscheidde hij een smalle strook van de cortex aan de rugrand van de interhemisferische spleet (veld 8), een andere smalle strook tussen de frontale cortex en de motorische cortex (veld 4), en twee laterale gebieden in de cortex boven de rhinale spleet die hij velden 10 en 11 noemde (Caviness, 1975). Dergelijke inconsistenties tussen neuroanatomisten over de afbakening van het frontale gebied, bij muizen en andere soorten, leidden tot de algemene overeenstemming dat verkaveling van de frontale cortex op basis van puur cytoarchitecturale beschrijvingen onbetrouwbaar was. Retrograde celdegeneratiestudies bij mensen en niet-menselijke primaten toonden een topografie aan tussen cytoarchitectonisch verschillende delen van de primaat mediodorsale (MD) kern van de thalamus en beperkte delen van de frontale granulaire cortex (Akert and Hartmann-von Monakow, 1980). Het werd al snel duidelijk dat de belangrijkste projecties van de MD-thalamische kernen naar afzonderlijke gebieden van de PFC bij muizen en andere knaagdieren een betrouwbare manier waren om prefrontale corticale zones te identificeren (Akert and Hartmann-von Monakow, 1980; Fuster, 2009; Krettek and Price, 1977; Leonard, 1969).

alleen al op basis van Nissl – preparaten zijn de grenzen van de MD-thalamische kernen in de muis niet gemakkelijk te onderscheiden, vanwege hun homogene cytoarchitectuur-hoewel enkele pogingen zijn gedaan (Slotnick and Leonard, 1975; Caviness, Jr.and Frost, 1980). Met behulp van anterograde traceermethoden bij de rat merkte Leonard (1969) echter op dat de centrale en perifere gebieden van de mediodorsale thalamische kern (MD) kunnen worden onderscheiden op basis van hun axonale projecties naar verschillende gebieden van de PFC. zo projecteert bij de rat het mediale deel van de MD naar de mediale wand van de PFC, die de prelbische (PrL), infralimbische (IL) en rostrale mediale orbitale (MO) cortex omvat. De centrale onderverdeling van de MD thalamus projecteert naar de ventrale agranulaire insulaire (AIV) Cortex dorsaal naar de rhinale spleet. Het laterale deel van de MD thalamus stuurt vezels naar de voorste cingulate cortex (Cg1–Cg2) en naar de laterale en ventrale divisies van de orbitale cortex (Groenewegen, 1988; Krettek and Price, 1977; Leonard, 1969). Hoewel de MD-projecties bij de muis niet zo gedetailleerd in kaart zijn gebracht als bij de rat, lijkt dezelfde algemene organisatie aanwezig te zijn (zie Guldin et al., 1981). Belangrijk is dat de prefrontale corticale velden van de muis niet uitsluitend worden geleverd door thalamische vezels uit de MD, maar ook input ontvangen van de anteromediale (AM) groep van thalamische kernen (Guldin et al., 1981), zoals het geval is bij de rat (Divac et al., 1978; Matsuda et al., 2001).

recente studies hebben zich gericht op immunocytochemische benaderingen waarbij verschillende antilichamen worden gebruikt om eiwitten te identificeren die differentieel tot expressie komen in verschillende corticale lagen van de PFC. Bijvoorbeeld, kunnen de bijzondere populaties van piramidale cellen worden geà dentificeerd gebruikend een monoclonal antilichaam SMI-32, dat de neurofilament subeenheid H in zijn niet-gefosforyleerde staat erkent. Het patroon van neurofilament expressie varieert tussen corticale lagen, waardoor SMI-32 een waardevolle marker voor het afbakenen van corticale gebieden van de frontale cortex. Smi-32 expressie is met succes gebruikt in primaten (Preuss et al., 1997), rats (van de Werd et al., 2008) en onlangs in ons eigen laboratorium met muizen.

figuur 30.1 toont de afbakening van de frontale cortex van de muis bovenop secties gekleurd voor Nissl stof en voor SMI-32. De agranular insular areas AID en AIV tonen zwakke vlekken voor SMI-32. Het laterale orbitale (LO) gebied kleurt zeer dicht voor SMI-32 in lagen II, V en VI in de muis, net als bij de rat

figuur 30.1. Afbakening van prefrontale cortex gesuperponeerd op coronale secties van een halfrond muizenhersenen gekleurd voor Nissl (A en C) of SMI-32 (B en D). (A–B) and (C–D) are located approximately 2.3 mm and 1.94 mm anterior to bregma respectively.

Abbreviations: AcbSh, nucleus accumbens shell; AID, dorsal agranular insular cortex; AIV, ventral agranular insular cortex; Cg1, dorsal cingulate cortex; DI, dysgranular insular cortex; fmi, forceps major of the corpus callosum; Fr3, frontal area 3; IL, infralimbic cortex; LO, lateral orbital cortex; M1, primary motor cortex; M2, secondary motor cortex; MO, medial orbital cortex; Pir, piriform cortex; PrL, prelimbic cortex; S1, primary somatosensory cortex; VO, ventral orbital cortex.

figuur 30.2. Afbakening van de prefrontale cortex bovenop horizontale delen van de muizenhersenen gekleurd voor Nissl (C en D) en voor acetylcholinesterase (A en B). Legenda zoals bij Figuur 30.1. (A-C) en (B–D) bevinden zich respectievelijk ongeveer 2,36 mm en 2,0 mm ventraal tot bregma.

(van de Werd et al., 2008). De grens tussen VO en LO is heel duidelijk in het SMI-32 gebeitst gedeelte; de kleuring in laag III verdwijnt in VO en de diepe lagen zijn minder dicht gekleurd dan in LO. Ook hier lijkt de muis sterk op de rat. In de rat, sommige onderzoekers verdelen het grondgebied van VO in een ventrolaterale orbitale regio (VLO) in tegenstelling tot de LO regio (van de Werd et al., 2008; Reep et al., 1984). Dit onderscheid is niet duidelijk in Nissl-of SMI – 32-bevlekte delen van de muizenhersenen. In Nissl-gebeitste secties is een donkere geclusterde laag II goed te onderscheiden van laag III in het laterale deel van VO en wordt minder duidelijk mediaal. De overgang verloopt echter geleidelijk en er is geen duidelijke grens tussen VLO en LO. In de rat, is er ook geen duidelijke grens in secties gekleurd voor een verscheidenheid van neurochemische markers (Paxinos et al., 1996).

Op de mediale wand is het mediale orbitale gebied (MO) vergelijkbaar met VO omdat het slecht gekleurd is voor SMI-32, maar net als bij de rat (Uylings and van Eden, 1990) hebben Nissl-bevlekte cellen van Mo laag II een duidelijke grens met laag III, terwijl in VO de twee lagen zich vermengen. Het preliminaire gebied (PrL) ligt dorsaal tot MO rostraal, en dorsaal tot infralimbisch (IL) caudaal. Laag II van PrL is smaller en onderscheiden dan in MO, en vlekken donker met Nissl. Gelijkaardig aan ratten, zijn laag III cellen in PrL in de muis goed gescheiden en de lichtere verschijning van laag III markeert de grens tussen MO en PrL. Het meest rostrale gedeelte van cingulate cortex (Cg1) is dorsaal tot PrL. De diepe lagen vertonen meer SMI-32 kleuring dan PrL. In Nissl-bevlekte secties wordt het gemarkeerd door laag II die tot bijna een enkele lijn van donker gekleurde cellen vernauwt.

Acetylcholinesterase (AChE) kleuring is gebruikt om frontale corticale gebieden te onderscheiden. Het PrL-gebied van de muizenhersenen is zeer duidelijk in pijn-bevlekte secties waar het zich onderscheidt van de omringende neuropil. De meeste PrL-gebieden zijn donkerder dan de omliggende gebieden, met name in laag III. bovendien is er een duidelijke afwezigheid van AChE-vlekken in laag II die dorsaal doorloopt in de cingulate cortex. In Cg1 kleurt laag VI matig donker met pijn, maar de gradaties tussen de lagen zijn niet goed gedefinieerd. Met Nissl-vlek is laag II van Cg1 smaller dan in PrL. Bovendien zijn de cellen in CG1 laag III kleiner dan in PrL. Caudal aan de PrL, Mo krimpt ventraal en IL komt eroverheen. MO en LO worden niet onderscheiden in pijn als beide vlekken zeer zwak voor pijn. VO is donkerder, vooral in de diepe lagen. De agranulaire insulaire cortex wordt gekenmerkt door matig dichte vlekken voor pijn in laag III en dieper. De lagen 1 en 2 zijn slechts licht gekleurd.

Markers van genexpressie in de frontale cortex van de pasgeboren muis onthullen ook patronen die correleren met de onderverdeling van de frontale cortex op basis van cytoarchitectuur en neurochemische markers bij volwassen muizen. Hoewel tellers specifiek voor bepaalde gebieden niet direct zijn waargenomen, kunnen verschillende combinaties van tellers met succes onderverdelingen van de frontale cortex definiëren. Het gen neurogenine 2 (Ngn2) wordt bijvoorbeeld sterk uitgedrukt in het MO-gebied, maar blijft vrijwel onuitgedrukt in het IL -, PrL-en Cg1-gebied en langs de basis van de orbitale cortex tot aan de laterale grens van LO. Daarentegen wordt de retinoïde z-receptor (rzrß) marker zijdelings uitgedrukt vanaf de mo/VO-grens helemaal rond de cortex tot het vervaagt in motorgebied 1 (M1). Echter, rzrß niet uit te drukken in de regio die overeenkomt met DLO waaruit de selectiviteit van deze markers als gidsen voor afbakening (Cholfin et al., 2007). Cholfin en collega ‘ s gebruikten in totaal 8 tellers om aan te tonen dat de fibroblastgroeifactor, Fgf17, een rol speelt bij het reguleren van de ontwikkeling van de frontale cortex. Dus, in fgf17-nul muizen de PrL, Cg, en M1 en M2, zijn aanzienlijk verminderd in grootte terwijl de pariëtale regio ‘ s rostraal uit te breiden. Daarentegen ontwikkelen de VO-regio ‘ s zich normaal (Cholfin et al., 2007). Deze elegante studie laat zien hoe moleculair biologische informatie van de muis kan worden gebruikt om ons begrip van de ontwikkeling van de muizenhersenen te verlichten.