Elektrophysiologische Untersuchungen zu sharp wave ripple Komplexen im Hippocampus der Maus in vitro

Abstract

Der Hippocampus ist ein im Temporallappen des Säugergehirns gelegenes Kerngebiet, das eine zentrale Rolle bei der Gedächtnisbildung und -konsolidierung spielt. Eine wichtige Funktion hierbei scheinen aufgrund neuerer Forschungen synchronisierte Potentialschwankungen von Neuronen (sog. Netzwerk-Oszillationen) zu haben. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten wurden in vitro zelluläre, pharmakologische und Netzwerk-Eigenschaften von sharp wave ripple Komplexen (SPW R) untersucht. Sharp waves und die ihnen aufmodulierten ~200 Hz ripple-Oszillationen gelten als Träger von neu in den Hippocampus aufgenommenen Gedächtnisinhalten und bilden neben Theta-/Gamma- Oszillationen das zweite fundamentale Muster elektrischer Aktivität im Hippocampus. Mit dem hier vorgestellten Modell gelang es erstmals, das verhaltensphysiologisch relevante Phänomen der SPW R unter in vitro- Bedingungen zu untersuchen und zugrunde liegende zellphysiologische und Netzwerk-Mechanismen zu beschreiben. Die Analyse ihres Ausbreitungsverhaltens ergab, dass SPW R in der Area CA3 generiert werden und in die übrigen Felder des Hippocampus propagieren. Das laminare Spannungsprofil der Signale zeigte positive Auslenkungen in den Strata oriens und pyramidale mit negativen Amplituden in den Strata radiatum und lacunosum-moleculare. In einer Serie pharmakologischer Experimente wurde die Rolle verschiedener chemisch- synaptischer Transmittersysteme untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Initiierung von sharp waves an glutamaterge (AMPA-Rezeptor-vermittelte) sowie GABAA-Rezeptor-vermittelte Transmission gekoppelt ist. Für hochfrequente Oszillationen im ripple-Frequenzband wurde dagegen nachgewiesen, dass sie auch in der Abwesenheit GABAA-Rezeptor-vermittelter Transmission synchronisiert werden können. Die Blockade von NMDA- oder GABAB-Rezeptoren hatte keinen Einfluss auf die Generierung oder die Ausbreitung von SPW R bzw. die innere Struktur der ripple-Oszillationen. Dagegen wurde nach pharmakologischer Blockade der elektrischen Kopplung von Neuronen über Gap junctions eine Abnahme der Inzidenz der sharp waves sowie eine Desynchronisierung stimulationsinduzierter ~200 Hz-Oszillationen beobachtet. Im Einklang mit diesen Befunden zeigten auch Untersuchungen an Hippocampus-Schnitten von Connexin36- (Cx36-) defizienten Mäusen sowohl eine Abnahme der Inzidenz von SPW R als auch eine Reduktion der Oszillationsfrequenz der ripples. Die Analyse zellulären Verhaltens während SPW R zeigte eine starke Aktivierung der betrachteten Zellpopulation auf der Netzwerkebene. Ableitungen aus einzelnen Pyramidenzellen hingegen demonstrierten mehrheitlich eine deutliche Inhibierung dieser Zellen. Mit der Etablierung des hier vorgestellten Modells von SPW R konnte die Voraussetzung geschaffen werden, unter den Bedingungen der in vitro-Elektrophysiologie ein hoch relevantes neurophysiologisches Aktivitätsmuster experimentell besser zugänglich zu machen. Anhand dieses neuen Modells wurden mit verschiedenen elektrophysiologischen und pharmakologischen Techniken grundlegende Eigenschaften und Mechanismen von SPW­­­­­ R beschrieben.

The hippocampus is generally accepted to be involved in the formation and consolidation of new declarative memories. Growing evidence hints at the fundamental role of synchronized neuronal oscillations underlying these mnemonic processes. Hippocampal network oscillations include theta- (~5-10 Hz) and gamma rhythms (at ~30-80 Hz) present during active alertness and spatial exploration. Conversely, during rest and slow-wave sleep, sharp waves (SPWs) and associated ~200 Hz oscillations ( ripples ) dominate the hippocampal EEG. Sharp wave ripple complexes (SPW R) have been suggested to be involved in consolidation of newly acquired memories. Here, the main results of a series of recently published articles are summarized (1-3). We could establish a new in vitro model for one of the two fundamental patterns of neuronal network activity of the hippocampus by demonstrating the existence of spontaneous sharp wave-ripple complexes in mouse hippocampal slices. These in vitro SPWs showed a clear equivalence to their in vivo counterparts including waveform appearance, frequency of occurrence, and association with ~200 Hz oscillations. SPW R were initiated in area CA3 and propagated towards the other hippocampal subregions. Laminar profiles of SPW R showed positive amplitudes in strata oriens and pyramidale and negative amplitudes at apical dendritic recording sites. Pharmacological experiments revealed that the initiation of sharp waves depends on AMPA- and GABAA receptors whereas blockade of NMDA- and GABAB receptor-mediated synaptic transmission had no effect on initiation, propagation or the internal structure of SPW R. In contrast, blockade of gap junction-mediated electrical transmission resulted in a reduction of SPW incidence as well as in desynchronization of stimulation-induced ~200 Hz oscillations. In accordance with these findings, SPW R recorded from slices of connexin36-deficient mice occurred less frequently and showed a slight reduction in intra-ripple-frequency. Based on extracellularly sampled multiunit activity we could show that the neuronal network is clearly activated during SPW R compared to non-SPW periods; contrasting, single cell recordings from pyramidal cells demonstrated a pronounced inhibition during SPW epochs. Taken together, the new model for SPW R described here allows for the study of one of the basic oscillatory states of the hippocampus using the slice preparation in vitro. By taking advantage of this approach, we studied cellular and network mechanisms underlying sharp waves as well as synchronizing mechanisms of ~200 Hz ripple oscillations.