Cannabinoid type 2 receptors mediate a cell type-specific plasticity in the hippocampus

Abstract

Endocannabinoids exert major control over neuronal activity by activating cannabinoid receptors (CBRs). The functionality of the endocannabinoid system (ECS) is primarily ascribed to the well-documented retrograde activation of presynaptically localised CB1Rs that are abundantly expressed in various brain regions and cell types and, upon retrograde activation by endocannabinoids, inhibit transmitter release. Depending on the receptors’ location on either glutamatergic or GABAergic axon terminals, this phenomenon is referred to as depolarisation-induced suppression of inhibition (DSI) or excitation (DSE). In stark contrast, very little is known about the relevance of CB2Rs in neuronal signalling. Indeed, until recently the CB2R was referred to as the ‘peripheral’ CBR reflecting its predominant expression in organs of the immune system where it participates in the regulation of immune responses and is responsible for the anti-inflammatory effects of cannabis. A major problem of studying CB2Rs has been their low expression levels in the central nervous system (CNS) and the lack of reliable antibodies, which has sparked controversy concerning their localisation in the brain. Yet, the generation of CBR knockout (KO) mice and the production of a diverse array of synthetic cannabinoid agents have advanced and facilitated research on CB2Rs. Especially behavioural studies have suggested the presence of CB2Rs in the CNS with properties that extend their neuro-immunological function, and recent anatomical and electrophysiological studies support this notion. We find that action potential-driven release of the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol (2-AG) leads to a long-lasting membrane potential hyperpolarisation in hippocampal CA3 pyramidal cells (PCs) that is independent of CB1R activation. A comparative study of hippocampal principal cells revealed that this mechanism is specific to CA3 and CA2. The hyperpolarisation is absent in CB2R KO mice and can furthermore be blocked, mimicked and occluded by CB2R-specific drugs. A detailed analysis of the phenomenon indicates that neuronally expressed, G Protein-coupled CB2Rs are persistently activated in an agonist unbound state and signal via a calcium-sensitive cascade. Activation of CB2Rs robustly affected the input/output function of CA3 PCs via a reduction in spike probability without depending on synaptic transmission. Their activation did not affect presynaptic transmitter release, and occurred in a purely self- regulatory manner, as suggested by dual recordings from neighbouring cells. To conclude, we describe a highly specific mechanism in the hippocampus that emphasises the importance of CB2R function in basic neuronal transmission and challenges classic, CB1R-focused views on hippocampal cannabinoid function. These findings are especially important as CB2Rs are implicated in many complex neuropsychiatric diseases and may provide the basis for non- psychoactive treatments.

Das endogene Cannabinoid-System (auch: Endocannabinoid-System, ECS), stellt einen zentralen neuromodulatorischen Bestandteil des Nervensystems dar und umfasst die G-Protein gekoppelten Cannabinoidrezeptoren CB1 und CB2 sowie deren natürliche Liganden, die Endocannabinoide. Das ECS beeinflusst diverse Lern- und Bewegungsprozesse, nimmt aber besonders in der hippokampalen Formation (HF) eine wichtige Rolle für die Vermittlung und Modulation physiologischer und pathophysiologischer Prozesse ein. Auch wenn das prominenteste Beispiel die Beeinträchtigung von Gedächtnis durch die Einnahme von Cannabis ist, so modulieren endogene Cannabinoide die Netzwerkaktivität der HF und die dessen zugrunde liegende neuronale Signalkaskaden auf vielfältige und beträchtliche Art und Weise. Klassischerweise wurden die Effekte des ECS auf neuronale Informationsverarbeitung allein dem CB1-Rezeptor zugeschrieben, wohingegen der CB2-Rezeptor als Teil des Immunsystems galt. Ein großes Problem in der Erforschung des CB2-Rezeptors stellt dessen niedrige Expression im Zentralnervensystem (ZNS) und außerdem das Fehlen von spezifischen Antikörpern dar. Dies hat dazu geführt, dass die Lokalisierung des CB2-Rezeptors im ZNS auch weiterhin kontrovers debattiert wird. Dennoch hat die Herstellung sowohl von Cannabinoidrezeptor-Knockoutmäusen als auch von diversen synthetischen Cannabinoidpharmaka die Forschung an CB2-Rezeptoren wesentlich erleichtert und vorangetrieben. Vor allem Verhaltensstudien mit Mäusen weisen auf die Existenz von CB2-Rezeptoren im ZNS hin, die nicht nur eine neuro-immunologische Funktion innehaben, sondern ebenfalls direkt neuronale Informationsverarbeitung beeinflussen und diese Ergebnisse werden von anatomischen und elektrophysiologischen Studien klar unterstützt. Wir beschreiben in dieser Arbeit nun eine weitere, vorher unbekannte Funktion des CB2-Rezeptors anhand von elektrophysiologischen Messungen in akuten Hirnschnitten von Mäusen und Ratten. Wir finden, dass die Aktionspotentials- getriebene Freisetzung des Endocannabinoids 2-Arachidonoylglycerol zu einer langanhaltenden, hyperpolarisierenden Plastizität in hippokampalen Prinzipalzellen führt, die ausschließlich in CA3 und CA2 ausgelöst werden kann. Durch die kombinierte Verwendung von Knockout-Mäusen und Rezeptor- spezifischer Pharmakologie können wir zeigen, dass diese zelltyp-spezifische Hyperpolarisierung des Membranpotentials unabhängig von CB1-Rezeptoren ist, sondern durch die Aktivierung von CB2-Rezeptoren vermittelt wird. Die Aktivierung von CB2-Rezeptoren hatte keinen Einfluss auf presynaptische Transmitterfreisetzung und anhand von zeitgleichen Ableitungen von benachbarten Pyramidenzellen können wir außerdem zeigen dass der Effekt, im Gegensatz zu presynaptischer CB1-Rezeptoraktivierung, rein selbst- regulatorisch zu sein scheint. Zusammenfassend beschreiben wir eine zelltyp- spezifische Plastizität in der HF, der die Wichtigkeit der Funktion von CB2-Rezeptoren im ZNS herausstellt. Dies ist besonders interessant, da der CB2-Rezeptor in vielen komplexen neuropsychiatrischen Erkrankungen eine Rolle zu spielen scheint und hier die Grundlage für eine nicht-psychotrope Behandlungen bieten kann.