Synaptische Plastizität im Subikulum und ihre Modulation durch Serotonin

Abstract

Der im Temporallappen gelegene Hippokampus spielt für das deklarative Gedächtnis eine entscheidende Rolle. Er wird innerviert und projiziert zu zahlreichen kortikalen und subkortikalen Regionen. Seine Hauptausgangsstruktur bildet das Subikulum. Das Subikulum erhält sowohl einen direkten Eingang aus dem entorhinalen Kortex, als auch ein indirekten kortikalen Eingang von CA1. Die Synapsen dieser Eingänge zeigen Plastizität in Form von Langzeitpotenzierung (LTP) und -depression (LTD). Unter experimentellen Bedingungen wird LTP durch hohe und LTD durch niedrige Stimulationsfrequenzen induziert. In tierexperimentellen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass niedrigfrequente Stimulation des direkten Eingangs eine LTD am direkten Eingang (homosynaptisch) und gleichzeitig eine LTP am indirekten Eingang (heterosynaptisch) induziert. Diese heterosynaptische Plastizität wird durch eine LTD an GABAergen Interneuronen vermittelt. Niedrigfrequente Stimulation des indirekten Eingangs und hochfrequente Stimulation induzieren hingegen ausschließlich homosynaptische Plastizität. Wir konnten außerdem zeigen, dass der an ein G-Protein (Gs) gekoppelte 5-HT4-Rezeptor in akuten Rattenhirnschnitten eine basale Aktivität aufweist und essentiell für die Induktion einer homosynaptischen LTD am indirekten kortikalen Eingang ist. Darüber hinaus verstärkt sich die LTD bei einer Aktivierung des Rezeptors. Unsere Ergebnisse ermöglichen einen neuen Einblick in die Funktionsweise des Subikulums. Die heterosynaptische Plastitzität könnte zur Integration von sensorischen und räumlichen Informationen aus dem Kortex und dem Hippokampus beitragen. Der 5-HT4-Rezeptor wiederum könnte mit seiner gegensätzlichen Modulation der LTD im Subikulum und der Area CA1 an der sich ergänzenden Verarbeitung von Gedächtnisinhalten in beiden Regionen beteiligt sein.

The hippocampus is part of the temporal lobe and plays a crucial role in declarative memory. It receives input and projectes to numerous cortical and subcortical regions. The subiculum serves as the final relay for the outgoing information of the hippocampus. It receives direct cortical input from the entorhinal cortex and indirect cortical input from CA1. At the synapses of these inputs either a strengthening or a weakening of synaptic coupling can occur, which is referred to as long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), respectively. Under experimental conditions, LTP can be induced by high-frequency and LTD by low-frequency stimulation. We show that low-frequency stimulation of the direct cortical input induces homosynaptic LTD and heterosynaptic LTP at synapses of the indirect cortical input. This heterosynaptic plasticity is mediated by an LTD of GABAergic interneurons. Low-frequency stimulation of the indirect cortical input and high-frequency stimulation, however, only induce homosynaptic plasticity. We show that activation of the 5-HT4 receptor facilitates homosynaptic LTD of the indirect cortical input. Furthermore, since LTD is blocked in the presence of 5-HT4 receptor antagonists, our data are consistent with basal receptor activity. Our findings provide new insights into the function of the subiculum. Heterosynaptic plasticity might contribute to the integration of sensory and spatial information from the entorhinal cortex and the hippocampus. The 5-HT4 receptor in turn might play a role in the different but complementary information processing of the subiculum and CA1.