Zellspezifische Deletion des Kalium-Chlorid-Kotransporters Kcc2 im Cerebellum: Auswirkung auf neuronale Signaltransduktion und Lernen

Abstract

Das Cerebellum kontrolliert Bewegungen sowie das Erlernen motorischer Fähigkeiten. Alle Informationen, die im Cerebellum verarbeitet werden, durchlaufen das sehr gleichförmig aufgebaute neuronale Netzwerk des cerebellären Kortex. Hier konvergieren alle Signale auf Purkinjezellen, den einzigen Neuronen, deren Axone aus dem cerebellären Kortex heraus projizieren. Der Informationsfluss durch den cerebellären Kortex wird mittels Vorwärtshemmung und negativer Rückkopplung durch Interneuronen moduliert. Allerdings ist die Relevanz dieser inhibitorischen neuronalen Schaltkreise für motorisches Lernen und dessen Konsolidierung nicht aufgeklärt. Die schnelle Komponente der GABAergen Inhibition wird durch GABAA-Rezeptoren vermittelt. Da GABAA-Rezeptoren ligandenaktivierte Anionenkanäle sind, hängt der von ihnen vermittelte Strom von der Verteilung der leitbaren Anionen, vor allem Chlorid, über die Membran ab. Um die schnelle Inhibition zu vermitteln, ist eine niedrige intraneuronale Cl--Konzentration essentiell. Es besteht Konsens, dass der neuronenspezifische Kalium-Chlorid-Kotransporter Kcc2 die intrazelluläre Chloridkonzentration unter das elektrochemische Chloridgleichgewichtspotential absenkt, und so für eine hyperpolarisierende GABA-Antwort sorgt. Aufgrund der Interaktion des C-Terminus von Kcc2 mit einem Zytoskelett-assoziierten Protein, wurde Kcc2 ausserdem eine Schlüsselrolle in der Maturation dendritischer Spines zugeschrieben. Diese Interaktion beeinflusst ausserdem die Aggregation von AMPA-Rezeptoren in dendritischen Spines von adulten Neuronen, und dadurch die Effizienz glutamaterger Neurotransmission. Um die physiologische Funktion von Inhibition im cerebellären Netzwerk zu untersuchen, wurde Kcc2 spezifisch in cerebellären Purkinjezellen und Körnerzellen deletiert. In diesen Mausmodellen war weder die Morphologie der dendritischen Spines, noch die Dichte der Synapsen oder die glutamaterge Transmission messbar verändert. Die Deletion von Kcc2 führte in beiden Zelltypen zu einer Erhöhung der intrazellulären Chloridkonzentration um den Faktor zwei. In Purkinjezellen wurde hierdurch die GABAerge Inhibition zwar nicht vollständig unterbunden, aber immerhin drastisch reduziert. In Körnerzellen war zwar die elektrische Antwort auf GABA unverändert, doch die Verdopplung der intrazellulären Chloridkonzentration führte zu einer konstanten Depolarisation des Membranpotentials. Die Reduktion der GABAergen Inhibition von Purkinjezellen führte zu einer beeinträchtigeten Feinabstimmung der Motorik an veränderte Bedingungen. Dies wurde am Beispiel des vestibulo- okulären Reflexes untersucht. Sowohl das die Amplitude von kompensatorischen Augenbewegungen, als auch die zeitliche Feinabstimmung war reduziert. Dies legt eine fundamentale Rolle der Vorwärtshemmung von Purkinjezellen bei der Induktion von neuronaler Plastizität nahe. Die Deletion von Kcc2 in Körnerzellen hatte keinen Effekt auf die Adaption von kompensatorischen Augenbewegungen. Einzig die Übernacht-Konsolidierung von zeitlichen Abstimmungen des vestibulo-okulären Reflexes war drastisch eingeschränkt. Die GABAerge Inhibition war durch Deletion von Kcc2 nicht verändert. Daher liegt nahe, dass die Erregbarkeit von Körnerzellen eine sehr spezifische Rolle in der Konsolidierung von zeitlicher Feinabstimmung, nicht jedoch der Amplitude der kompensatorischen Augenbewegungen spielt.

The cerebellum controls movement and learning of motor skills through a uniformly patterned neuronal circuitry, where all information converges onto a single type of neuron, the Purkinje cell. Purkinje cells receive glutamatergic input from climbing fibers and granule cells. Interneurons modulate information flow through the cerebellar cortex by feedforward and feedback inhibition. Their contribution to motor learning and consolidation is not fully understood. For fast inhibitory action of GABA, mediated by the GABAA receptor anion channels, low intracellular Cl- concentration is required. The neuron-specific KCl cotransporter Kcc2 is thought to lower the intracellular Cl- concentration below its electrochemical equilibrium potential and thereby rendering GABA hyperpolarizing. Additionally, Kcc2 was described as a key factor in the maturation of dendritic spines owed to interaction of its C-terminus with a cytoskeleton-associated protein. Furthermore it was reported that Kcc2 affects AMPA receptor aggregation in dendritic spines of adult neurons and thereby influences glutamatergic transmission. To investigate the functional roles of specific inhibitory pathways in cerebellar circuits, we specifically disrupted Kcc2 in cerebellar Purkinje cells and granule cells. We neither found abnormalities in dendritic spine morphology, nor in synapse density or glutamatergic transmission in these mouse models. The disruption of Kcc2 increased the intracellular Cl- concentration roughly twofold in both cell types. This drastically reduced, but not abolished, GABAergic inhibition on Purkinje cells. In granule cells it led to a constitutive depolarized membrane potential. Decreasing GABAergic inhibition on Purkinje cells in mice affected their ability to adjust their eye movements during vestibulo-ocular mismatch training. Furthermore, the consolidation of learned gain and phase adaptations was strongly compromised. This sugessts a fundamental role of feedforward inhibition onto Purkinje cells in the induction of plasticity. In contrast to this, Kcc2 ablation in granule cells specifically impaired overnight consolidation of phase learning of the vestibulo-ocular reflex, while gain modulation and short term adaptation of gain and phase remained intact. As GABAergic inhibition on Granule cells was unchanged in these mice, this suggests that Granule cell excitability plays a specific role in the consolidation of phase learning.