Induktion und Modulation von Sharp Wave – Ripple Komplexen und synchronisierter Netzwerkaktivität im Hippocampus der Ratte in vitro

Abstract

Unter in vitro Bedingungen führt die wiederholte Applikation von LTP induzierenden Reizserien in Akutschnittpräparate der adulten Ratte zur Induktion von SPW-Rs in Area CA3, von wo sie in die CA1 Region und das Subikulum propagieren. Die Induktion von SPW-Rs ist mit einer zellulären Reorganisation innerhalb des CA3 Netzwerks assoziiert und ihre Expression kann über Induktion von LTD reversibel gehemmt werden. Zusammen zeigt dies eine enge Beziehung zwischen SPW-Rs und aktivitätsabhängigen, synaptischen Veränderungen innerhalb hippocampaler Netzwerke an. Während die Induktion von SPW-Rs NMDA - R abhängig ist, kann deren Expression über AMPA-/Kainat - R Blocker unterbrochen werden. Darüber hinaus führt inputspezifische Stimulation des CA3 Netzwerks aus der proximalen und distalen Area CA1 sowie des Hilus zur Generation distinkter SPW-Rs, wobei die Wirkung solcher Wechsel reversibel ist. Aktivierung von 1-Rs während Norardenalin \- Applikation führt über Reduktion des präsynaptischen Calcium Uptakes zur abrupten und reversiblen Blockade von SPW-Rs. Andererseits fazilitiert Stimulation von 1 – Rs die Induktion von LTP und SPW-Rs in Area CA3. Reiz - induzierte SPWRs können anhand verschiedenen Populations- wie auch Einzelzellparametern von hypersynchronen epileptiformen Netzwerkentladungen unterschieden werden. Hierzu zählen die Dauer und Amplitude der ereigniskorrelierten neuronalen Depolarisation und Anzahl der generierten APs, die Dauer, Inidenz und Amplitude der Netzwerkentladungen, die Frequenz überlagerter Ripple - Oszillationen, die Höhe der durch die Netzwerkentladung hervorgerufenen Anstiege der [K+]o und des im Extrazellularraum gemessenen Sauerstoffverbrauchs. Zusammen dienen diese Befunde einem besseren Verständnis synchronisierter hippocampaler Netzwerkaktivität, die mit der Konsolidierung deklarativer Gedächtnisspuren verbunden ist und somit Langzeitgedächtnis ermöglicht.

In rat hippocampal slices, sharp wave-ripple complexes (SPW-Rs) can be induced by repeated application of high frequency stimulation (HFS) or theta burst stimulation (TBS), which both induce stable long-term potentiation (LTP). SPW- Rs are induced in the CA3 region from where they propagate into area CA1 and the subiculum and are associated with a neuronal reorganization within the CA3 network. In addition, the expression of induced SPW-Rs can be reversibly blocked by protocols which induce long-term depression (LTD). Together, this indicates a close relation between evoked SPW-Rs and activity-dependent synaptic changes within hippocampal networks. While induction of SPW-Rs is NMDA-dependent the expression of SPW-Rs can be blocked by AMPA/Kainate receptor antagonists. Furthermore, input-specific stimulation from the proximal and distal CA1 or from the hilus results in generation of distinct SPW-Rs while such changes are fully reversible. Stimulation of alpha1 receptors during norepinephrine application blocks SPW-Rs by reducing the presynaptic calcium uptake. On the other hand, stimulation of beta1 receptors facilitates both, induction of LTP and SPW-Rs, a process that is associated with a reversible reduction of the afterhyperpolarization in CA3 pyramidal cells. HFS- or TBS-induced SPW-Rs can be clearly distinguished from hypersynchronized epileptiform network discharges by different characteristics both on the single cell and network level. Such differences involve duration and amplitude of intracellular depolarization and number of generated action potentials during network discharges, duration, incidence and amplitude of network events, frequency of superimposed ripple oscillations, amplitude of network discharge-induced increases in extracellular potassium and the discharge-associated oxygen consumption recorded in the extracellular space. Together, these results might facilitate a better understanding of synchronized hippocampal network activity that is associated with the consolidation of declarative memory traces for long-term storage.