The present dissertation comprises three articles published in international peer-reviewed journals. The experiments were planned and conducted at the Institute of Neurophysiology (Charité-Universitätsmedizin Berlin). Freely moving animals display two prominent states of network activity that are related to memory formation. Explorative behaviour and rapid-eye-movement (REM) sleep are characterised by short periods of gamma oscillations nested in theta oscillations, whereas sharp wave-ripple (SPW-R) activity is observed during immobility, consummatory behaviour and slow-wave sleep. I studied different aspects involved in maintenance and stabilisation of SPW-R activity, their emergence and suppression, and the acetylcholine metabolism which is involved in the switch from SPW-R activity to gamma oscillations. I show that application of nicotine led to a dose-dependent shift from SPW-R activity to seizure like events (SLEs). The transition could be linked to a reduced inhibition of pyramidal cells in area CA3. We found that elevation of [K+]0 from 3 to 8.5 mM led to REDs in naïve slices whereas their generation was prevented during episodes of stimulus-induced SPW-R activity. Under this condition the inhibitory conductance was significantly increased. In the next study I demonstrate the role of GABAB receptor mediated inhibition in presynaptic Ca2+ dependent transmitter release. Stimulus-induced SPW-Rs were transiently blocked by application of the GABAB receptor agonist baclofen, an effect that could be prevented by co-application with the antagonist CGP55846. However, CGP55846 itself had no effect on the incidence of SPW-Rs. Interestingly, the induction of SPW-Rs was still possible when baclofen was applied during tetanic stimulation. Lastly, I investigated the acetylcholine metabolism and its implications for the generation of gamma oscillations. Blocking the acetylcholinesterase to inhibit the extracellular degradation of ACh induced gamma oscillations. Additional application of ACh dose dependently increased power and coherence of the oscillations. I further employed experiments to provide evidence for an extracellularly located choline- acetyltransferase that would allow synthesising ACh from ambient residual choline. However, taken together, the results did not support the idea of an extracellular source of ACh.
Die vorliegende Dissertation basiert auf drei Artikeln, die vor ihrer Publikation einen peer-review Prozess durchlaufen haben. Die zugrundeliegenden Experimente wurden im Institut für Neurophysiologie der Charité- Universitätsmedizin Berlin geplant und durchgeführt. Experimente an sich frei bewegenden Tieren haben gezeigt, dass zwei Arten von Netzwerkaktivität für die Gedächtnisbildung von Bedeutung sind. Während exploratives Verhalten und paradoxer (REM) Schlaf durch Gamma-Oszillationen gekennzeichnet sind, tritt eine als „sharp wave-ripple“ (SPW-R) bezeichnete Netzwerkaktivität vor allem während Ruhephasen, der Nahrungsaufnahme und orthodoxen (non-REM) Schlaf auf. Ich habe Mechanismen untersucht, die für die Aufrechterhaltung, das Entstehen sowie die Unterdrückung der SPW-R Aktivität verantwortlich sind. Der Metabolismus des Neurotransmitters Acetylcholin wurde ebenfalls untersucht, da er für den Wechsel zwischen den beiden Netzwerkaktivitäten von Bedeutung ist. Ich konnte zeigen, dass induzierte SPW-R durch Gabe von Nikotin dosisabhängig in krampfähnliche Aktivitätsmuster (REDs) transformiert werden können. Die Ursache hierfür ist eine reduzierte Inhibition von Pyramidenzellen in der hippocampalen CA3 Region. Durch unspezifische Erregung (Erhöhung der extrazellulären Kaliumkonzentration von 3 auf 8.5 mM) konnte in unstimulierten Schnitten RED ausgelöst werden, was in Gegenwart von SPW-Rs aufgrund erhöhter Inhibition nicht möglich war. In der nächsten Studie habe ich den Einfluss von GABAB Rezeptoren auf die Calcium-abhängige Transmitterfreisetzung untersucht. Die transiente Unterdrückung der SPW-R durch Aktivierung des GABAB Rezeptors mit Baclofen konnte durch Co-Applikation des Antagonisten CGP55846 verhindert werden. In Gegenwart von Baclofen war die Induktion der SPW-R dennoch möglich. Schließlich habe ich den Acetylcholinmetabolismus untersucht. Durch Hemmung des Acetylcholinabbaus durch die Acetylcholinesterase konnte ich dosisabhängig unterschiedlich starke Formen von Gamma-Oszillationen auslösen, die durch Zugabe von Acetylcholin noch stärker ausgeprägt wurden. Der experimentelle Nachweis, einer Möglichkeit zur extrazellulären Bildung von Acetylcholin, konnte nicht erbracht werden.
