The role of medial septal neurons in orchestrating locomotion-related dynamics, and their projections to the hippocampus

Abstract

Locomotion is a fundamental behavior critical for the survival of many species. Beyond mere movement, locomotion is tightly linked to sensory processing, motivation, and cognition. Locomotion-driven sensory input, such as tactile, visual, or auditory cues, informs an organism about its surroundings, and these inputs are integrated to guide learning and memory processes. The medial septum and diagonal band of Broca (MSDB), a crucial hub in the basal forebrain, has emerged as a key player in these processes, facilitating communication between cortical and subcortical regions. The MSDB plays pivotal role in synchronizing neural activity in brain areas, like the hippocampus (HC), a structure central to memory and navigation. The HC extends along a dorsoventral (dHC, vHC) axis exhibiting functional specialization. Despite decades of research on the MSDB-dHC pathway and its role in cognitive memory formation, far less is understood about the MSDB-vHC projection and how these connections contribute to emotional behaviors. Exploring the molecular and anatomical differences between MSDB cells projecting to these hippocampal subregions is vital for understanding how this brain region regulates distinct aspects of cognition and emotion. The functional role of the MSDB extends beyond hippocampal interactions. MSDB neurons are uniquely positioned to integrate sensory and motor information, but whether they facilitate synchronization among behaviors such as whisking, running, and pupil dilation is still an open question. Persistent firing (PF), a phenomenon in which neurons maintain activity beyond a stimulus, offers a potential mechanism for the MSDB’s coordination of motor and cognitive processes. Intriguingly, rhythmic phenomena such as whisking, pupil dilation, and locomotion often align with cortical state modulation. PF in the MSDB may serve as a bridge between motor behaviors and neural state changes. This thesis investigates the MSDB’s role in coordinating locomotor-related neural and behavioral mechanisms and its anatomical projections to the hippocampus. By addressing these aspects, this work aims to clarify the MSDB’s integrative role in linking sensory, motor, and cognitive functions, contributing to a deeper understanding of its functions in health and disease.

Lokomotion ist ein fundamentales Verhalten, das für das Überleben vieler Spezies entscheidend ist. Über die reine Bewegung hinaus ist Lokomotion eng mit sensorischer Verarbeitung, Motivation und Kognition verknüpft. Sensorische Eingaben wie taktile, visuelle oder auditive Reize, die durch Lokomotion ausgelöst werden, informieren den Organismus über seine Umgebung und steuern Lern- und Gedächtnisprozesse. Das mediale Septum und der diagonale Band von Broca (MSDB), ein zentraler Knotenpunkt im basalen Vorderhirn, erleichtert die Kommunikation zwischen kortikalen und subkortikalen Regionen. Es spielt eine Schlüsselrolle bei der Synchronisierung neuronaler Aktivität in Bereichen wie dem Hippocampus (HC), einer Struktur, die für Gedächtnis und Navigation essenziell ist. Der Hippocampus zeigt eine funktionelle Spezialisierung entlang seiner dorsoventralen Achse. Während die MSDB-dHC-Verbindung intensiv in der kognitiven Gedächtnisbildung erforscht wurde, ist über die MSDB-vHC-Projektion und ihren Beitrag zu emotionalem Verhalten wenig bekannt. Die Untersuchung der molekularen und anatomischen Unterschiede von MSDB-Zellen, die zu diesen Hippocampus-Unterregionen projizieren, ist entscheidend, um die Regulation von Kognition und Emotion durch das MSDB zu verstehen. MSDB-Neuronen integrieren sensorische und motorische Informationen, doch ihre Rolle bei der Synchronisierung von Verhaltensweisen wie Schnurrhaarbewegung (whisking), Laufen und Pupillenerweiterung bleibt unklar. Persistente Feuerraten (PF), bei denen Neuronen ihre Aktivität über einen Reiz hinaus aufrechterhalten, könnten ein Mechanismus sein, der motorische und kognitive Prozesse im MSDB koordiniert. Rhythmische Phänomene wie Schnurrhaarbewegungen und Pupillenerweiterung stimmen oft mit kortikalen Zustandsänderungen überein. PF im MSDB könnte dabei eine Brücke zwischen motorischen Verhaltensweisen und neuronalen Zustandsänderungen bilden. Diese Arbeit untersucht die Rolle des MSDB bei der Koordination lokomotionsbezogener neuronaler und behavioraler Mechanismen sowie seine anatomischen Projektionen zum Hippocampus. Ziel ist es, die integrative Rolle des MSDB bei der Verknüpfung sensorischer, motorischer und kognitiver Funktionen besser zu verstehen und neue Einblicke in seine Funktionen in Gesundheit und Krankheit zu gewinnen.