Local and systemic modulation of hippocampal oscillations and synaptic plasticity

Abstract

Hippocampal network oscillations of distinct frequency bands like gamma- oscillations and sharp wave-ripple complexes (SPW-Rs) are likely involved in various cognitive functions such as the storage of information and memory consolidation in vivo. Memory formation depends on novelty detection which is indicated by global release of monoamines. Storage of information may also be influenced by locally released peptides such as C-type natriuretic peptide (CNP). We investigated monoamines (dopamine (DA), norepinephrine (NE) and serotonin (5-HT)) and CNP effects on pharmacologically- versus stimulus- induced hippocampal gamma-oscillations in vitro as well as CNP effects on hippocampal SPW-Rs and on bidirectional synaptic plasticity in area CA1, employing extra- and intracellular recordings as well as immunohistochemistry. Monoamines dose-dependently and reversibly suppressed pharmacologically- induced hippocampal gamma-oscillations, but augmented stimulus-induced gamma- oscillations. Both types of hippocampal gamma-oscillations were suppressed by forskoline, 8-Br-cAMP, D1 agonist and isoproterenol, suggesting that differential monoamines effects on these two types of gamma-oscillations might involve different classes of cells. CNP suppressed ACh/physostigmine- and stimulus-induced hippocampal gamma-oscillations and reduced the incidence of hippocampal SPW-Rs. Immunohistochemistry revealed CNP binding to subset of GAD65/67-immunopositive cells in area CA3 and CA1 which suggests that CNP effects on hippocampal oscillations might be due to the CNP action on hippocampal interneurons. CNP also shifted the threshold for long-term potentiation (LTP) induction in area CA1 to higher stimulus frequencies showing the layer-specific differences. This effect was attenuated (extrecellular recordings) or prevented (intracellular recordings from pyramidal cells) when GABAA receptors were blocked. CNP increased the input resistance of CA1 pyramidal cells and the amplitude of isolated excitatory postsynaptic potential (EPSPs) only in the presence of bicuculline. In addition CNP mimicked the attenuation of LTP (stratum pyramidale) or reversion of LTP into long-term depression (LTD) (stratum radiatum) induced by low-dose of NMDA glutamate receptor blocker DL-APV. These data suggest that CNP- mediated modulation of bidirectional synaptic plasticity in area CA1 might be due to the action on GABAA-mediated inhibition and on NMDA receptors. Systemically released monoamines and locally released agents such as CNP may play a crucial role in switching between oscillatory states in hippocampus and therefore allow different modes of information processing. In addition CNP by modulating hippocampal synaptic plasticity CNP may play important role in formation of hippocampus-dependent types of memory.

Hippokampale Netzwerk Oszillationen verschiedener Frequenzen wie gamma- Oszillationen und sharp wave-ripple Komplexe (SPW-R) sind wahrscheinlich an verschiedenen kognitiven Funktionen wie der Speicherung von Informationen und Gedächtniskonsolidierung in vivo beteiligt. Gedächtnisbildung hängt von Neuheitserkennung, die durch die globale Freisetzung von Monoaminen angegeben ist, ab. Die Informatiosspeicherung kann auch durch lokal freigesetzte Peptide wie C-Typ natriuretisches Peptid (CNP) beeinflusst werden. Wir untersuchten die Auswirkungen der Monoamine (Dopamin (DA), Noradrenalin (NA) und Serotonin (5-HT)) und des CNP auf pharmakologisch- versus stimulus-induzierte gamma- Oszillationen in vitro. Weiterhin untersuchten wir die Auswirkungen des CNP auf hippokampale SPW-R und bidirektionale synaptische Plastizität im CA1 Gebiet. Zur Anwendung kamen extra- und intrazelluläre Ableitungen und Immunhistochemische Methoden. Pharmakologisch-induzierte hippokampale gamma- Oszillationen wurden dosisabhängig und reversibel unterdrückt durch Monoamine, stimulus-induzierte gamma-Oszillationen wurden dosisabhängig und reversibel vergrößert. Beide Arten von gamma-Oszillationen wurden durch Forskoline, 8-Br- cAMP, D1-Agonist und Isoproterenol unterdrückt, was darauf hinweist, dass die unterschiedlichen Effekte der Monoamine auf diese zwei Arten von gamma- Oszillationen durch unterschiedliche Beteiligung von verschiedenen Zelltypen in der Generierung der pharmakologisch- und stimulus-induzierten gamma- Oszillationen verursacht werden könnten. CNP unterdrückte ACh/Physostigmine- und stimulus-induzierte hippokampale gamma-Oszillationen und reduzierte das Auftreten von hippokampalen SPW-R. Immunhistochemisch konnte gezeigt werden, dass CNP an GAD65/67-immunopositiver Zellen in CA3 und CA1 bindet. Dies suggeriert, dass der CNP-Effekt auf hippokampale Oszillationen könnten auf CNP Auswirkungen auf hippokampale Interneurone zurückzuführen sein könnte. CNP verschob den Schwellenwert für die Induktion von Langzeit-Potenzierung (LTP) im Bereich CA1 in höhere Reizfrequenzbereiche und zeigte dabei Schichtspezifische Unterschiede. Dieser Effekt wurde abgeschwächt (in extrazellulären Ableitungen) oder verhindert (in intrazelluläre Ableitungen aus Pyramidenzellen), wenn GABAA-Rezeptoren blockiert wurden. CNP erhöhte den Eingangswiderstand der CA1 Pyramidenzellen und die Amplitude der isolierten postsynaptischen Potentiale (EPSPs) nur, wenn Bicucullin vorhanden war. Darüberhinaus ahmte CNP die durch den niedrig dosierten NMDA-Glutamat- Rezeptor-Blocker DL-APV induzierte Dämpfung der LTP (Stratum pyramidale) oder Umkehrung der LTP in Langzeit-Depression (LTD) (Stratum radiatum) nach. Diese Daten lassen vermuten, dass die CNP-vermittelte Modulation der bidirektionalen synaptischen Plastizität im Bereich CA1 auf die Auswirkungen auf die GABAA- vermittelte Hemmung und auf NMDA-Rezeptoren. zurückzuführen sein könnte. Systemisch freigesetzte Monoamine und lokal freigesetzte Peptide wie CNP könnten eine entscheidende Rolle bei der Umschaltung zwischen oszillatorischen Zuständen im Hippokampus spielen und erlauben daher verschiedene Modi der Informationsverarbeitung. Darüberhinaus könnte CNP durch die Modulation der synaptischen Plastizität des Hippokampus eine wichtige Rolle bei der Bildung von Hippokampus-abhängigen Arten von Gedächtnis spielen.