A new method for modulating the activity of parvalbumin-positive neurons and cerebellar Purkinje cells in vivo

Neurons can be divided into various classes according to their location, morphology, neurochemical identity and electrical properties. They form complex interconnected networks with precise roles for each cell type. GABAergic neurons expressing the calcium-binding protein parvalbumin (Pv) are mainly interneurons, which serve a coordinating function. Pv-cells modulate the activity of principal cells with high temporal precision. Abnormalities of Pv-interneuron activity in cortical areas have been linked to neuropsychiatric illnesses such as schizophrenia. Cerebellar Purkinje cells are known to be central to motor learning. They are the sole output from the layered cerebellar cortex to deep cerebellar nuclei. There are still many open questions about the precise role of Pv-neurons and Purkinje cells, many of which could be answered if one could achieve rapid, reversible cell-type specific modulation of the activity of these neurons and observe the subsequent changes at the whole-animal level. The aim of these studies was to develop a novel method for the modulation of Pv-neurons and Purkinje cells in vivo and to use this method to investigate the significance of inhibition in these neuronal types with a variety of behavioral experiments in addition to tissue autoradiography, electrophysiology and immunohistochemistry. The GABA(A) receptor γ2 subunit was ablated from Pv-neurons and Purkinje cells in four separate mouse lines. Pv-Δγ2 mice had wide-ranging behavioral alterations and increased GABA-insensitive binding indicative of an altered GABA(A) receptor composition, particularly in midbrain areas. PC-Δγ2 mice experienced little or no motor impairment despite the lack of inhibition in Purkinje cells. In Pv-Δγ2-partial rescue mice, a reversal of motor and cognitive deficits was observed in addition to restoration of the wild-type γ2F77 subunit to the reticular nucleus of thalamus and the cerebellar molecular layer. In PC-Δγ2-swap mice, zolpidem sensitivity was restored to Purkinje cells and the administration of systemic zolpidem evoked a transient motor impairment. On the basis of these results, it is concluded that this new method of cell-type specific modulation is a feasible way to modulate the activity of selected neuronal types. The importance of Purkinje cells to motor control supports previous studies, and the crucial involvement of Pv-neurons in a range of behavioral modalities is confirmed.

Hermosolut jaotellaan useisiin alatyyppeihin sijainnin, muodon sekä neurokemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien perusteella. Ne muodostavat monimutkaisia toisiinsa kytkeytyneitä verkostoja, joissa jokaisella solutyypillä on oma tehtävänsä. Gamma-aminovoihappoa (GABA) sisältävät hermosolut, jotka ilmentävät kalsiumia sitovaa parvalbumiiniproteiinia (Pv) ovat lähinnä välihermosoluja, ja niillä on keskushermostossa tärkeä koordinoiva tehtävä. Pv-solut säätelevät tarkasti päähermosolujen, kuten pyramidisolujen aktiivisuutta. Poikkeavuudet Pv-välineuronien toiminnassa isoaivokuoren alueella on yhdistetty neuropsykiatrisiin sairauksiin, kuten skitsofreniaan. Pikkuaivojen Purkinjen solujen tiedetään olevan keskeisiä motorisen oppimisen kannalta. Ne vievät informaatiota pikkuaivojen kerroksittaiselta kuorialueelta pikkuaivojen syviin tumakkeisiin. Pv-solujen ja Purkinjen solujen toiminnassa on vielä paljon avoimia kysymyksiä, joihin voitaisiin vastata, jos olisi olemassa keino säädellä näiden hermosolujen aktiivisuutta nopeasti, palautuvasti ja solutyyppivalikoivasti, ja tarkastella mahdollisia muutoksia koe-eläinten käyttäytymisessä. Näiden tutkimusten tavoitteena oli kehittää uusi menetelmä Pv-hermosolujen ja Purkinjen solujen säätelyyn elävässä eläimessä, ja käyttää tätä menetelmää neuronaalisen inhibition merkityksen tutkimiseen näissä soluissa. Tutkimuksissa hyödynnettiin käyttäytymiskokeita, kudosautoradiografiaa, sähköfysiologiaa ja immunohistokemiallisia tekniikoita. GABA(A)-reseptorin γ2-alayksikkö poistettiin Pv-soluista ja Purkinjen soluista neljässä eri hiirikannassa. Pv-Δγ2-hiirillä havaittiin laaja-alaisia käyttäytymismuutoksia ja muutoksia GABA(A)-reseptorin alayksikkökoostumuksessa erityisesti keskiaivojen alueella. PC-Δγ2-hiirillä havaittiin vain vähän liikehäiriöitä, vaikka niiden Purkinjen soluista puuttui neuronaalista inhibitiota. Pv-Δγ2-partial rescue mice-hiirillä havaittiin lievää liike- ja tiedonkäsittelytoimintojen palautumista Pv-Δγ2-hiiriin verrattuna. PC-Δγ2-swap-hiirille saatiin palautettua osittainen herkkyys unilääke tsolpideemille, joka aiheutti niille väliaikaisia liikehäiriöitä. Näiden tulosten perusteella esitetään johtopäätös, että tämä Pv-hermosolujen ja Purkinjen solujen uusi säätelymenetelmä on käyttökelpoinen tapa muunnella valikoitujen hermosolutyyppien aktiivisuutta.