Glutamatergic axons from the lateral habenula mainly terminate on GABAergic neurons of the ventral midbrain

Abstract

The concept of cortical-subcortical loops emphasizes the importance of the basal gan-glia for motor, psychomotor, and emotional cortical functions. These loops are bidirec-tionally controlled by the midbrain dopaminergic system, predominantly but not exclu-sively at the level of the striatum, including the accumbens nucleus. Successful behaviors increase the activities of the mesostriatal (arising in the complex part of the substantia nigra) and mesolimbic (arising in the ventral tegmental area, VTA) neurons, thereby reinforcing the corresponding actions. In contrast, unsuccessful behaviors result in an increased activation of the lateral habenular complex (LHb), thereby decreasing the activities of mesolimbic neurons. Correspondingly, electrical stimulation of the LHb effectively blocks neuronal activity in the VTA. Whether this block is due to an inhibitory projection from the LHb to the VTA, or whether axons from excitatory LHb neurons tar-get inhibitory neurons within the VTA, is currently not known. Here we show, using in-situ- hybridization and immunocytochemical double labelling at the light and electron microscopic level, that GABAergic neurons are scarce in the LHb and that glutamatergic axons from the LHb mostly target GABAergic neurons in the VTA and the mesopontine rostromedial tegmental nucleus. These data explain the inhibitory effect of LHb activation on the VTA. In addition, however, a small number of LHb termi-nals in the VTA actually contacts dopaminergic neurons. The biological importance of these terminals requires further investigation. .

Einleitung: Dopaminerge Neurone in der ventralen tegmentalen Area (VTA) modulieren die neuronale Aktivität der Basalganglienschleifen. Die Ausschüttung von Dopamin in den Zielarealen wie den Nucleus accumbens führt dabei zu positiven Emotionen, die in ihrer Summe als Belohnung wahrgenommen werden. Im Gegenzug führt eine Hem-mung der Dopaminsekretion zu negativen Emotionen (negative reward). Die VTA ist somit unabdingbar für Lernprozesse und daraus resultierendes, zielgerichtetes Han-deln. Die Neurone der VTA integrieren dafür stimulierende und inhibitorische Einflüsse aus verschiedenen kortikalen und subkortikalen Zentren. Ein wichtiger Zufluss von In-formationen erwächst der VTA aus dem lateralen Habenularkomplex (LHb). In früheren Studien konnte bereits gezeigt werden, dass eine elektrische Stimulation von Neuronen in der LHb zu einer Hemmung der Dopaminausschüttung in der VTA führt. Die Charak-terisierung dieser Projektionen wurde bisher nur unzureichend untersucht. Insbesonde-re die beteiligten Neurotransmitter und die Zielneurone der in der VTA waren nicht be-kannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch eine Kombination verschiedener anatomischer Techniken eine genaue Charakterisierung der Projektionen aus der LHb und der angesteuerten Zielneurone in der VTA zu erreichen. Resultate: Die Existenz von Projektionen aus der LHb in die VTA wurde durch ver-schiedenen Tracingtechniken nachgewiesen. Dabei führte die Injektion von Tetra-methylrodamin-markiertem Dextranamin (TMR-DA) in die LHb zu einer Anreicherung des Tracers in Axonterminalen in der VTA (anterogrades Tracing). Im Gegenzug konnte nach Injektion von Gold-markiertem Weizenkeim Agglutinin (ApoHRP-WGA-gold) in die VTA ein retrograder Transport der Substanz in die Neuronen der LHb dargestellt wer-den (retrogrades Tracing). Durch nicht radioaktive In-Situ-Hybridisierung wurde dann gezeigt, dass die Mehrzahl der WGA-markierten Neurone in der LHb mRNA für den vesikulären Glutamattransporter vGluT2 exprimieren. Dieser Befund wurde durch den immuncytochemischen Nachweis von vGluT2 in TMR-DA-positiven Axonterminalen in der VTA ergänzt. GAD-immunreaktive GABAerge Axonterminalen in der VTA enthielten dagegen keine Tracersubstanz. Die Ursprungsneurone für die Projektionen aus der LHb in die VTA konnten damit als exzitatorische, glutamaterge Neurone identifiziert werden. Die Charakterisierung der Zielzellen erfolgte mittels Pre- und Postembedding-techniken in der Elektronenmikroskopie. Dazu wurden dopaminerge Zellen mit Antikörpern gegen Tyrosinhydroxylase, GABAerge Zellen mit Antikörpern gegen GABA und GAD, sowie glutamaterge Neurone mit Antikörpern gegen vesikuläre Glutamattransporter (vGluT1 und vGluT2) markiert. TMR-DA-positive Axonterminalen, mittels DAB visualisiert, fan-den sich dabei hauptsächlich an GABAergen Dendriten, während direkte Projektionen auf dopaminerge Neurone selten waren. Schlussfolgerung: In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass exzitatori-sche, glutamaterge Neurone der LHb direkt auf GABAerge Interneurone in der VTA pro- jizieren. Diese Projektionen bilden das morphologische Korrelat für die hemmende Wir-kung der LHb auf die Dopaminfreisetzung aus den Neuronen der VTA und ihren Axonterminalen. Die neuen Erkenntnisse verbessern unser Verständnis der Funktions-weise der VTA und können so vielleicht zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für Erkrankungen wie Depression und Schizophrenie beitragen.