It is commonly accepted that the hippocampus is critically involved in the explicit memory formation of mammals. The subiculum is the principal target of CA1 pyramidal cells and thus serves as the major relay station for the outgoing hippocampal information. Pyramidal cells in the subiculum can be classified according to their firing properties into burst-spiking and regular-spiking cells. In the present study we demonstrate that burst-spiking and regular-spiking cells show fundamentally different forms of low frequency- induced synaptic plasticity in rats. In burst-spiking cells, low-frequency stimulation (at 0.5-5 Hz) induces frequency-dependent long-term depression (LTD) with a maximum at 1 Hz. This LTD is dependent on the activation of NMDAR and masks an mGluR- dependent long-term potentiation (LTP). In contrast, in regular-spiking cells low-frequency stimulation induces an mGluR-dependent LTP that masks an NMDAR-dependent LTD. Both processes depend on postsynaptic Ca2+-signaling as BAPTA prevents the induction of synaptic plasticity in both cell types. Thus, mGluR-dependent LTP and NMDAR-dependent LTD occur simultaneously at CA1-subiculum synapses and the predominant direction of synaptic plasticity relies on the cell type investigated. Our data indicate a novel mechanism for the sliding-threshold model of synaptic plasticity, in which induction of LTP and LTD seems to be driven by the relative activation state of NMDAR and mGluR. further more we give evidence that this bidirectional plasticity relies upon the co-activation of muscarinic acetylcholine receptors, as scopolamine blocks synaptic plasticity in both cell types. In addition, we demonstrate that the L-type calcium channel inhibitor nifedipine converts LTD to LTP in burst-spiking cells and LTP to LTD in regular-spiking cells, indicating that the polarity of synaptic plasticity is modulated by voltage-gated calcium channels. Bidirectional synaptic plasticity in subicular cells therefore appears to be governed by a complex signaling system, involving cell-specific recruitment of ligand and voltage- gated ion channels as well as metabotropic receptors. This complex regulation might be necessary for fine-tuning of synaptic efficacy at hippocampal output synapses. Our observation that the direction of synaptic plasticity correlates with the discharge properties of the postsynaptic cell reveals a novel and intriguing mechanism of target specificity that may serve in tuning the significance of neuronal information by trafficking hippocampal output onto either subicular burst-spiking or regular-spiking cells.
Es ist generell akzeptiert, dass der Hippocampus entscheidend an der Gedächtnisgenerierung von Säugetieren mitwirkt. Das Subiculum ist das Hauptziel von CA1-Pyramidenzellen und dient somit als ein Relais für abgehende Informationen des Hippocampus. Pyramidenzellen im Subiculum können anhand ihrer Aktivitätsrate als explosionsartig aktionspotentialbildend (burst- spiking) bzw. als regulär aktionspotentialbildend (regular-spiking) klassifiziert werden. In der gegenwärtigen Studie demonstrieren wir, dass burst-spiking- und regular-spiking-Zellen bei Ratten prinzipiell zu unterscheidende Formen von durch Niedrig-Frequenz induzierter synaptischer Plastizität zeigen. In burst-spiking-Zellen induziert Niedrig-Frequenz- Stimulation (bei 0,5-5Hz) eine frequenzabhängige Langzeitdepression (LTD) mit einem Maximum bei 1Hz. Diese LTD ist von der Aktivierung der NMDA-Rezeptoren abhängig und überlagert eine mGlu-Rezeptor-abhängige Langzeitpotenzierung(LTP). Im Gegensatz hierzu wird in regular-spiking-Zellen durch eine Niedrig-Frequenz-Stimulation eine mGlu-Rezeptor-abhängige LTP induziert, die eine NMDA-Rezeptor abhängige LTD überlagert. Beide Prozesse basieren auf einem postsynaptisch ablaufendem Ca2+-Signal, da BAPTA die Induktion von synaptischer Plastizität in beiden Zelltypen unterbindet Folglich finden mGlu-Rezeptor-abhängige LTP und NMDA-Rezepor-abhängige LTD in CA1-Subiculum Zellen simultan statt. Die vorherrschende Ausrichtung synaptischer Plastizität hängt vom untersuchten Zelltyp ab. Unsere Daten geben einen neuen Mechanismus für das sliding-threshold-Modell synaptischer Plastizität zu erkennen, in welchem die LTP- und LTD-Induktion von dem relativen Aktivierungsstatus des NMDA- und des mGlu-Rezeptors angestoßen wird. Des Weiteren können wir belegen, dass die oben genannte bidirektionale Plastizität von der Koaktivierung muskarinerger Acetylcholin-Rezeptoren abhängt, da Scopalamin synaptische Plastizität beider Zelltypen blockiert. Zusätzlich demonstrieren wir, dass der L-Typ-Calcium-Kanalblocker Nifedipine in burst-spiking-Zellen LTD zu LTP, in regular-spiking-Zellen LTP zu LTD konvertiert und dass somit die Polarität synaptischer Plastizität von spannungsgesteuerten Calcium-Kanälen moduliert wird. In Zellen des Subiculums scheint die bidirektionale synaptische Plastizität somit von einem komplexen Signalordnungssystem reguliert zu werden, welches zellspezifische Rekrutierung sowohl von liganden- als auch von spannungsgesteuerten Ionen-Kanälen involviert. Diese komplexe Regulierung könnte an hippocampalen Datenausgangssynapsen zur Feineinstellung von synaptischer Wirkkraft notwendig sein. Unsere Beobachtung der Korrelation von der Ausrichtung synaptischer Plastizität mit den Entladungscharakteristiken von postsynaptischen Zellen enthüllen einen neuen und gleichzeitig verblüffenden Mechanismus der Zielgenauigkeit, der dazu dienen könnte, die Signifikanz summary neuronaler Informationen zu justieren, indem man hippocampalen Datenausgang entweder auf burst-spiking- oder regular-spiking-Zellen des Subiculums lenkt.
