Wang, Chunjian (2026) Synaptic Input Variability Drives Functional Heterogeneity for Sound Encoding in Globular Bushy Cells. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Most neurons in the central nervous system receive convergent input and thereby integrate activity from many other neurons. In sensory pathways, particularly the auditory brainstem, such convergence can enhance sensitivity or sharpen temporal precision when individual inputs are subthreshold and spikes are generated only by multiple coincident inputs (coincidence detection). Within the cochlear nucleus (CN), globular bushy cells (GBCs) receive large axosomatic synapses—the endbulbs of Held—from auditory nerve fibers (ANFs) and transmit their activity to binaural targets with high temporal fidelity. Each GBC is contacted by multiple endbulbs that vary in size, reaching up to a ten-fold difference between the smallest and largest input. To date, it remains unclear how this morphological heterogeneity contributes to function, namely the encoding of sound information. This thesis investigates how variability in the strength of converging endbulb inputs shapes GBCs' output, and how inhibition contributes to auditory encoding. To address this, I performed conductance-clamp recordings in acute brain slices of Mongolian gerbils. Excitatory input patterns were constructed to span anatomically informed ranges of input-strength variation, and inhibitory drive was included to test its regulatory role. Responses were assessed for simple pure-tone and naturalistic amplitude-modulated (AM) sounds. Three consistent results emerged. First, greater variability among excitatory inputs increased overall firing and improved tracking of stimulus envelopes. Second, the same variability reduced spike-timing precision, revealing a trade-off between rate-based envelope coding and faithful temporal coding. Third, inhibition acted primarily as gain control: it decreased sustained spiking and sharpened timing without eliminating reliable onset responses. Together, these findings support a framework in which anatomical heterogeneity positions GBCs along a functional continuum, from precise temporal transfer to improved envelope coding. Inhibitory inputs primarily regulate gain and refine timing, improving onset precision for pure tone and enhancing locking to AM. By combining conductance-clamp recordings with a coincidence-counting cell model (developed in collaboration), this work defines how input-strength variability and inhibition jointly set the timing-rate trade-off in GBCs. The data explain how the operation mode can shift depending on the information provided to the downstream binaural pathways, advancing a mechanistic understanding of the structure-function principles that support robust hearing in natural acoustic environments.

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Die Variabilität der synaptischen Eingänge bestimmt die funktionelle Heterogenität bei der Schallkodierung in globulären Buschzellen

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Die meisten Neuronen im Zentralnervensystem erhalten konvergierende Eingänge und integrieren die Aktivität vieler anderer Neuronen. In sensorischen Bahnen, insbesondere im auditorischen Hirnstamm, kann eine solche Konvergenz die Sensitivität oder die zeitliche Präzision erhöhen, wenn einzelne Eingänge unterschwellig sind und Aktionspotenziale nur dann entstehen, wenn mehrere Eingänge innerhalb eines engen Zeitfensters nahezu gleichzeitig eintreffen (Koinzidenzdetektion). Globuläre Buschzellen (GBCs) im Cochleariskern (CN) erhalten große axosomatische Synapsen—die Held‘schen Endknöpfe—von Hörnervenfasern (ANFs) und leiten deren Aktivität mit hoher zeitlicher Präzision an binaurale Zielstrukturen im auditiven Hirnstamm weiter. Jede GBC wird von mehreren Endknöpfen kontaktiert, die in ihrer Größe stark variieren und Unterschiede von bis zum Zehnfachen zwischen dem kleinsten und dem größten Eingang aufweisen. Bislang wurde nicht erforscht, wie diese Größenheterogenität die Kodierung von Schallinformation beeinflusst. Diese Arbeit untersucht, wie Variationen der Eingangsstärken konvergierender Endknöpfe die Schallkodierung von GBCs definieren und wie synaptische Hemmung die Schalkodierung verbessert. Hierzu habe ich Conductance-Clamp-Ableitungen in akuten Hirnschnitten der Mongolischen Rennmaus durchgeführt. Erregende Eingabemuster wurden so konstruiert, dass sie die morphologische Variabilität der Eingangsstärke abdeckten. Die Implementierung der Inhibition verdeutlichte deren spezifische Rolle bei der Kodierung von Reintönen und amplitudenmoduliertem (AM) Schall. Die Studie liefert drei konsistente Erkenntnisse. Erstens erhöhte eine größere Variabilität unter den erregenden Eingängen die Gesamtfeuerrate und verbesserte die Abbildung der Hüllkurve des auditorischen Stimulus. Zweitens verringerte dieselbe Variabilität die Präzision des Spike-Timings und offenbarte einen Kompromiss (trade-off) zwischen ratenbasierter Hüllkurvenkodierung und präziser zeitlicher Kodierung. Drittens wirkte Hemmung vor allem als Verstärkungsregelung: Sie reduzierte anhaltendes Feuern und schärfte das Timing, ohne die Onset-Antworten zu verringern. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass GBCs entlang eines funktionellen Kontinuums operieren: von präziser zeitlicher Übertragung bis hin zu ausgeprägterer Hüllkurvenkodierung. Die Inhibition Übernimmt dabei vor allem zwei Funktionen: sie reguliert die Verstärkung (gain) und verfeinert das Timing in dem sie die Onset-Präzision bei Reintönen verbessert und die Phasenbindung an AM verstärkt. Durch die Kombination von Conductance-Clamp-Ableitungen mit einem Coincidence-Counting-Zellmodell (entwickelt in Kooperation) zeigt diese Arbeit, wie Variabilität der Eingangsstärke und Hemmung gemeinsam den Funktionsmodus zwischen Timing- und Rate-Kodierung in GBCs festlegen. Somit wird der Ausgang dieses Neurontyps an die Verarbeitung in den Nachgeschalteten binauralen Neuronen des Hirnstamms angepasst. Die Studie liefert einen wichtigen Beitrag zum mechanistischen Verständnis jener Struktur-Funktion-Prinzipien, die die Grundlage für robustes Hören in natürlichen Umgebungen bilden.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Cochlear nucleus, globular bushy cells, coincidence detection, conductance-clamp, functional heterogeneity
Divisions:	Faculty of Medicine and Health Sciences > Department of Human Medicine
Date Deposited:	02 Feb 2026 10:32
Last Modified:	02 Feb 2026 10:32
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7354
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-74354
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