Impact of disinhibition and neuromodulation in hippocampal oscillations and LTP

Abstract

Hippocampal oscillations and neuronal plasticity are involved in both cognitive functions and pathological processes. In vivo, Sharp wave-ripple (SPW-Rs) consisting of slow field potential transients with superimposed ripples by ca. 200 Hz oscillations are believed to support memory consolidation by generating long term plasticity. In hippocampal slices, repeated trains of high frequency stimulation (HFS, a long term potentiation (LTP)-protocol) induce spontaneous SPW-Rs. As the generation of LTP and SPW-Rs might be linked to each other, studies concerning the cellular mechanisms of these oscillations and their relation to activity-dependent plasticity are required. The first publication included in this doctoral thesis deals with the role of inhibition during stimulus-induced SPW-R-activity. Pharmacological full blockade of inhibition with bicuculline (BMI) transforms stimulus-induced SPW-Rs in prolonged hypersynchronous discharges called recurrent epileptiform discharges (REDs). In order to study the effects of partial reduction of inhibition, SPW-Rs were exposed to increasing concentration of nicotine, BMI and high concentrations of extracellular potassium ([K+]o). We found that nicotine at high concentrations is able to transform SPW-Rs into REDs. This transition is related to a decrease in inhibitory conductance (GIPSP) in pyramidal cells. Similarly, low concentration of BMI transformed SPW-Rs into REDs and reduced GIPSP. Additionally, SPW-Rs were exposed to high concentrations of K+. Under these conditions, SPW-Rs do not transform into typical REDs. The GIPSP was actually increased by high K+, thus preventing the occurrence of REDs. However, treatment with high K+ solution generated seizure like events (SLEs). Interestingly, the occurrence of SLEs could be lowered by previous induction of SPW-Rs. I was further interested in the effects of the neuromodulator norepinephrine (NE) on SPW-Rs. In Ul Haq et al., we show that NE has a dual effect on SPW-Rs. Activation of -1-receptors suppresses SPW-Rs activity, this is related to a decreased presynaptic Ca2+ uptake as indicated by paired pulse ratio (PPR), analysis of coefficient of variance (CV) and measurements of Ca2+ uptake into presynaptic terminals. In contrast, activation of -receptors enhances SPW-Rs activity. Finally, the modulatory effects of C-natriuretic peptide (CNP) in activity-dependent plasticity in area CA1 of the hippocampus were investigated. CNP, a member of the natriuretic peptides family with neuromodulatory properties, has been shown to impair stimulus induced SPW-Rs. To complete these finding, we investigated the effects of CNP in bidirectional plasticity. We show that the application of CNP facilitated LTD-expression, impaired LTP-expression and shifted the stimulus dependence of LTP induction to higher stimulus frequencies. The CNP- mediated diminution of LTP induced by 100 Hz was prevented when BMI was applied. Additionally, CNP reverted LTP into LTD when a 30 Hz stimulus was used. This could be mimicked by application of low concentrations of the NMDA- antagonist DL-APV. These findings suggest that the effect of the neuropeptide results from interacting effects between the glutamatergic and GABAergic system.

Hippokampale Oszillationen und neuronale Plastizität spielen eine wichtige Rolle in den kognitiven Funktionen und pathologischen Prozessen. In vivo beobachtet man langsame Potentiale begleitet von schnellen „Ripples“ mit einer Frequenz von ca. 200 Hz, sog. Sharp Wave-Ripples (SPW-Rs). Diese Oszillationen spielen eine wichtige Rolle in der Gedächtniskonsolidierung, weil sie die Langzeitpotenzierung (LTP) unterstützen. Spontane SPW-Rs können in hippokampalen Schnittpräparaten durch die wiederholte Applizierung von hochfrequenter Stimulation (HFS), eines klassischen LTP-Protokolls, induziert werden. Um die Beziehung zwischen LTP und SPW-Rs näher zu ergründen, werden die zellulären Mechanismen der Oszillationen und ihre Wechselwirkung mit der aktivitätsabhängigen Plastizität durchgeführt. Die erste Publikation dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Rolle der neuronalen Hemmung während der SPW-Rs-Aktivität. Die komplette pharmakologische Blockade der Inhibition mit Bicuculline (BMI) bewirkt die Umwandlung von SPW-Rs in prolongierte epileptiforme Entladungen (REDs). Um die Effekte einer partiellen Abnahme der Hemmung zu untersuchen, wurden SPW-Rs steigenden Konzentrationen von Nikotin, BMI und hohen Konzentrationen von Kalium ausgesetzt. Wir fanden heraus, dass hohe Konzentrationen von Nikotin SPW-Rs in REDs verwandeln. Diese Umwandlung korreliert mit einer Abnahme der neuronalen Hemmung von Pyramidenzellen. Die Zuführung von niedrigen Dosen Bicucullin generierte ebenfalls eine Transformation der SPW-Rs in REDs und reduzierte die neuronale Hemmung. Im Gegensatz dazu konnte die Erhöhung der Kaliumkonzentration die SPW-Rs nicht in REDs umwandeln. Die neuronale Hemmung war unter diesen Bedingungen vielmehr erhöht und beugte dem Vorkommen von REDs vor. Dennoch rief die Zuführung einer hohen Kaliumkonzentration epileptiforme Aktivität (SLEs) der Zellen hervor. Die Inzidenz solcher SLEs war interessanterweise bei den Schnittpräparaten geringer, die zuvor SPW-Rs zeigten, als bei naiven Schnittpräparaten. Ich konzentrierte meine Untersuchungen anschließend auf die Auswirkungen von Norepinephrine (NE) auf SPW-Rs. In ul Haq et al. konnten wir zeigen, dass NE zwei unterschiedliche Effekte generiert. Die Aktivierung von -1-Rezeptoren bewirkt auf der einen Seite die Unterdrückung von SPW-Rs. Diese Unterdrückung geht einher mit einer Abnahme des presynaptischen Kalziums, was sich in einer Reduzierung der Paar-Puls-Fazilitierung (PPF), in den Analysen des Varianzkoeffizients (CV) und in den Messungen des presynaptischen Kalziums zeigte. Auf der anderen Seite unterstützt die Aktivierung von -Rezeptoren die SPW-Rs-Aktivität. Schließlich wurden die Effekte von dem C-natriuretischen Peptid (CNP) auf aktivitätsabhängige Plastizität in der CA1-Region des Hippokampus untersucht. CNP, ein Familienmitglied der natriuretischen Peptide mit neuromodulatorischen Eigenschaften, unterdrückt SPW-Rs. Um diesen Befund zu ergänzen, untersuchten wir die Effekte von CNP auf bidirektionale Plastizität. Wir zeigten, dass CNP LTD (Langzeitdeppression) fördert, LTP unterdrückt und die zur LTP-Induktion benötigte Stimulusfrequenz erhöht. Die CNP-abhängige LTP-Minderung bei 100 Herz (Hz) Stimuli konnte durch Bicuculline vermieden werden. Außerdem wurde bei einer 30 Hz-Stimulation LTD nicht jedoch LTP in Gegenwart von CNP hervorgerufen. Der gleiche Effekt wurde bei der Zuführung des NMDA-Antagonisten APV in einer Niedrigdosierung beobachtet. Diese Ergebnisse deuten auf eine Wirkung des CNP auf beide, das glutamaerge und das GABAerge System, hin.