Depression of Serotonin Synaptic Transmission by the Dopamine Precursor L-DOPA

Imbalance between the dopamine and serotonin (5-HT) neurotransmitter systems has been implicated in the comorbidity of Parkinson's disease (PD) and psychiatric disorders. L-DOPA, the leading treatment of PD, facilitates the production and release of dopamine. This study assessed the action of L-DOPA on monoamine synaptic transmission in mouse brain slices. Application of L-DOPA augmented the D2-receptor-mediated inhibitory postsynaptic current (IPSC) in dopamine neurons of the substantia nigra. This augmentation was largely due to dopamine release from 5-HT terminals. Selective optogenetic stimulation of 5-HT terminals evoked dopamine release, producing D2-receptor-mediated IPSCs following treatment with L-DOPA. In the dorsal raphe, L-DOPA produced a long-lasting depression of the 5-HT1A-receptor-mediated IPSC in 5-HT neurons. When D2 receptors were expressed in the dorsal raphe, application of L-DOPA resulted in a D2-receptor-mediated IPSC. Thus, treatment with L-DOPA caused ectopic dopamine release from 5-HT terminals and a loss of 5-HT-mediated synaptic transmission.

A susceptibilidade à nicotina e etanol é afetada pela exposição à nicotina, fumaça de cigarro e etanol durante o período gestacional: alterações comportamentais e eletrofisiológicas no período pós-natal de camundongos

Uma questão particularmente relevante é o fato de exposições precoces a drogas de abuso durante o desenvolvimento potencialmente aumentarem a susceptibilidade a estas drogas posteriormente durante o desenvolvimento. No presente estudo utilizando estudos comportamentais e eletrofisiológicos, investigamos efeitos tardios da exposição de camundongos à fumaça de cigarro, à nicotina e ao etanol durante o período que corresponde à gestação em humanos. Para tal, esta tese foi dividida em 2 estudos. No Estudo 1, submetemos camundongos durante o período que corresponde à gestação de humanos à fumaça de cigarro e/ou etanol visando investigar se a estas drogas de abuso, separadamente ou quando combinadas, programam maior susceptibilidade aos efeitos da nicotina durante a adolescência (PN30) ou idade adulta (PN90). Para avaliar a susceptibilidade, utilizamos 3 testes: campo aberto (CA), preferencia pela nicotina (PPN) e preferencia condicionada por lugar (CPP). No Estudo 2, os animais foram expostos a nicotina durante o período gestacional e, no período que corresponde à infância (PN9 a PN20), fatias de cérebro contendo o núcleo tegumental laterodorsal (LDT) foram expostas a etanol. Este núcleo foi escolhido uma vez que estudos recentes indicam sua participação em mecanismos de toxicodependência. Foram realizados registros eletrofisiológicos de uma única célula. No Estudo 1, identificamos maior sensibilidade para os efeitos da reexposição à nicotina na adolescência quando comparada com a idade adulta . Em animais testados no CA durante a adolescência, a nicotina foi capaz de causar aumento da atividade locomotora nos animais controle, previamente expostos à fumaça de cigarro e ao etanol. Contudo, em animais expostos à fumaça combinada com etanol, não houve aumento da locomoção. Na idade adulta, a nicotina causou um aumento da atividade locomotora no CA somente nos animais expostos à fumaça de cigarro. Quanto ao CPP, a exposição prévia à fumaça de cigarro e ao etanol causaram aumento da resposta condicionada à nicotina em fêmeas adolescentes. Nos animais previamente expostos à combinação entre fumaça de cigarro e etanol, a resposta condicionada à nicotina não atingiu significância estatística. Não houve alterações na idade adulta. A exposição a fumaça de cigarro e/ou etanol não afetou a PPN. No Estudo 2, os dados eletrofisiológicos mostraram que a exposição pré-natal à nicotina foi capaz de alterar as correntes de despolarização basais e o potencial de repouso de células do LDT A nicotina também foi capaz de alterar as respostas deste núcleo ao etanol reduzindo as correntes de despolarização e aumentando, embora que não de forma significativa, as correntes inibitórias. De acordo com estes dados, injurias causadas pela exposição à fumaça do cigarro, à nicotina isoladamente, e ao etanol durante o desenvolvimento são capazes de perdurar por um logo tempo na vida do individuo, alterando as respostas a comportamentais e celulares a uma exposição tardia à nicotina e ao etanol.

Long-term depression in rat CA1-subicular synapses depends on the G-protein coupled mACh receptors

The subiculum, which is the primary target of CA1 pyramidal neurons and sending efferent fibres to many brain regions, serves as a hippocampal interface in the neural information processes between hippocampal formation and neocortex. Long-term depression (LTD) is extensively studied in the hippocampus, but not at the CA1-subicular synaptic transmission. Using whole-cell EPSC recordings in the brain slices of young rats, we demonstrated that the pairing protocols of low frequency stimulation (LFS) at 3 Hz and postsynaptic depolarization of -50 mVelicited a reliable LTD in the subiculum. The LTD did not cause the changes of the paired-pulse ratio of EPSC. Furthermore, it did not depend on either NMDA receptors or voltage-gated calcium channels (VGCCs). Bath application of the G-protein coupled muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) antagonists, atropine or scopolamine, blocked the LTD, suggesting that mAChRs are involved in the LTD. It was also completely blocked by either the Ca2+ chelator BAPTA or the G-protein inhibitor GDP-beta-S in the intracellular solution. This type of LTD in the subiculum may play a particular role in the neural information processing between the hippocampus and neocortex. (c) 2005 Elsevier Ireland Ltd and the Japan Neuroscience Society. All rights reserved.

How modeling can reconcile apparently discrepant experimental results: The case of pacemaking in dopaminergic neurons

Midbrain dopaminergic neurons are endowed with endogenous slow pacemaking properties. In recent years, many different groups have studied the basis for this phenomenon, often with conflicting conclusions. In particular, the role of a slowly-inactivating L-type calcium channel in the depolarizing phase between spikes is controversial, and the analysis of slow oscillatory potential (SOP) recordings during the blockade of sodium channels has led to conflicting conclusions. Based on a minimal model of a dopaminergic neuron, our analysis suggests that the same experimental protocol may lead to drastically different observations in almost identical neurons. For example, complete L-type calcium channel blockade eliminates spontaneous firing or has almost no effect in two neurons differing by less than 1% in their maximal sodium conductance. The same prediction can be reproduced in a state of the art detailed model of a dopaminergic neuron. Some of these predictions are confirmed experimentally using single-cell recordings in brain slices. Our minimal model exhibits SOPs when sodium channels are blocked, these SOPs being uncorrelated with the spiking activity, as has been shown experimentally. We also show that block of a specific conductance (in this case, the SK conductance) can have a different effect on these two oscillatory behaviors (pacemaking and SOPs), despite the fact that they have the same initiating mechanism. These results highlight the fact that computational approaches, besides their well known confirmatory and predictive interests in neurophysiology, may also be useful to resolve apparent discrepancies between experimental results. © 2011 Drion et al.

Sustaining sleep spindles through enhanced SK2-channel activity consolidates sleep and elevates arousal threshold.

Sleep spindles are synchronized 11-15 Hz electroencephalographic (EEG) oscillations predominant during nonrapid-eye-movement sleep (NREMS). Rhythmic bursting in the reticular thalamic nucleus (nRt), arising from interplay between Ca(v)3.3-type Ca(2+) channels and Ca(2+)-dependent small-conductance-type 2 (SK2) K(+) channels, underlies spindle generation. Correlative evidence indicates that spindles contribute to memory consolidation and protection against environmental noise in human NREMS. Here, we describe a molecular mechanism through which spindle power is selectively extended and we probed the actions of intensified spindling in the naturally sleeping mouse. Using electrophysiological recordings in acute brain slices from SK2 channel-overexpressing (SK2-OE) mice, we found that nRt bursting was potentiated and thalamic circuit oscillations were prolonged. Moreover, nRt cells showed greater resilience to transit from burst to tonic discharge in response to gradual depolarization, mimicking transitions out of NREMS. Compared with wild-type littermates, chronic EEG recordings of SK2-OE mice contained less fragmented NREMS, while the NREMS EEG power spectrum was conserved. Furthermore, EEG spindle activity was prolonged at NREMS exit. Finally, when exposed to white noise, SK2-OE mice needed stronger stimuli to arouse. Increased nRt bursting thus strengthens spindles and improves sleep quality through mechanisms independent of EEG slow waves (<4 Hz), suggesting SK2 signaling as a new potential therapeutic target for sleep disorders and for neuropsychiatric diseases accompanied by weakened sleep spindles.

Modulation de l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate : implication dans la plasticité des neurones dopaminergiques

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques.

Plasticité synaptique dans l’aire tegmentaire ventrale : implication des endocannabinoïdes

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT.

Altération du couplage neurovasculaire par l'angiotensine II : évaluation du rôle de la signalisation calcique astrocytaire

Le couplage neurovasculaire (CNV) est un mécanisme d’homéostasie cérébrale régulant le débit sanguin cérébral (CBF) en fonction de l’activité neuronale. La manière dont il est altéré par l’angiotensine II (Ang II), une hormone synthétisée et relâchée dans la circulation systémique ou, alternativement, produite dans le cerveau grâce aux astrocytes, demeure à élucider. Ces cellules expriment le récepteur AT1 (rAT1) et participent à l’orchestration du CNV en relâchant des agents vasoactifs suivant la réponse calcique astrocytaire. Nous avons donc étudié le rôle de cette réponse dans l’altération du CNV induite par l’Ang II. Nous avons trouvé par fluxmétrie par laser Doppler que l’Ang II atténue (p<0.05) la réponse du CBF engendrée par l’activation des récepteurs métabotropes du glutamate du groupe I (mGluRI) du cortex chez la souris C57BL/6. De manière similaire, l’Ang II diminue l'élévation du CBF induite par la stimulation des vibrisses (p<0.05). Sur tranches de cerveaux en aiguë, la polarité de la réponse vasculaire induite par un agoniste mGluRI dans les artérioles parenchymateuses a été significativement renversée par l’Ang II de la vasodilatation vers la vasoconstriction. En parallèle, l’Ang II a augmenté les niveaux de calcium astrocytaire basaux et l’amplitude des réponses calciques (p<0.05). L’altération des réponses vasculaires et calciques maximales a été prévenue par le candesartan, antagoniste des rAT1. Nos résultats suggèrent que l’Ang II potentialise via les rAT1 la réponse calcique qui atteint un seuil favorisant la vasoconstriction par rapport à la vasodilatation, altérant ainsi l’augmentation du CBF en réponse à l’activité neuronale.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

Cannabidiol displays antiepileptiform and antiseizure properties in vitro and in vivo

Plant-derived cannabinoids (phytocannabinoids) are compounds with emerging therapeutic potential. Early studies suggested that cannabidiol (CBD) has anticonvulsant properties in animal models and reduced seizure frequency in limited human trials. Here, we examine the anti-epileptiform and anti-seizure potential of CBD using in vitro electrophysiology and an in vivo animal seizure model, respectively. CBD (0.01-100 muM) effects were assessed in vitro using the Mg(2+)-free and 4-aminopyridine (4-AP) models of status epilepticus-like epileptiform activity in hippocampal brain slices via multi-electrode array (MEA) recordings. In the Mg(2+)-free model, CBD decreased epileptiform local field potential (LFP) burst amplitude (in CA1 and dentate gyrus (DG) regions) and burst duration (in all regions) and increased burst frequency (in all regions). In the 4-AP model, CBD decreased LFP burst amplitude (in CA1, only at 100 muM CBD), burst duration (in CA3 and DG), and burst frequency (in all regions). CBD (1, 10 and 100 mg/kg) effects were also examined in vivo using the pentylenetetrazole (PTZ) model of generalised seizures. CBD (100 mg/kg) exerted clear anticonvulsant effects with significant decreases in incidence of severe seizures and mortality in comparison to vehicle-treated animals. Finally, CBD acted with only low affinity at cannabinoid CB(1) receptors and displayed no agonist activity in [(35)S]GTPgammaS assays in cortical membranes. These findings suggest that CBD acts to inhibit epileptiform activity in vitro and seizure severity in vivo. Thus, we demonstrate the potential of CBD as a novel anti-epileptic drug (AED) in the unmet clinical need associated with generalised seizures.

The phytocannabinoid Delta(9)-tetrahydrocannabivarin modulates inhibitory neurotransmission in the cerebellum

Background and purposeThe phytocannabinoid Delta(9)-tetrahydrocannabivarin (Delta(9)-THCV) has been reported to exhibit a diverse pharmacology; here, we investigate functional effects of Delta(9)-THCV, extracted from Cannabis sativa, using electrophysiological techniques to define its mechanism of action in the CNS.Experimental approachEffects of Delta(9)-THCV and synthetic cannabinoid agents on inhibitory neurotransmission at interneurone-Purkinje cell (IN-PC) synapses were correlated with effects on spontaneous PC output using single-cell and multi-electrode array (MEA) electrophysiological recordings respectively, in mouse cerebellar brain slices in vitro.Key resultsThe cannabinoid receptor agonist WIN 55,212-2 (WIN55) decreased miniature inhibitory postsynaptic current (mIPSC) frequency at IN-PC synapses. WIN55-induced inhibition was reversed by Delta(9)-THCV, and also by the CB(1) receptor antagonist AM251; Delta(9)-THCV or AM251 acted to increase mIPSC frequency beyond basal values. When applied alone, Delta(9)-THCV, AM251 or rimonabant increased mIPSC frequency. Pre-incubation with Delta(9)-THCV blocked WIN55-induced inhibition. In MEA recordings, WIN55 increased PC spike firing rate; Delta(9)-THCV and AM251 acted in the opposite direction to decrease spike firing. The effects of Delta(9)-THCV and WIN55 were attenuated by the GABA(A) receptor antagonist bicuculline methiodide.Conclusions and implicationsWe show for the first time that Delta(9)-THCV acts as a functional CB(1) receptor antagonist in the CNS to modulate inhibitory neurotransmission at IN-PC synapses and spontaneous PC output. Delta(9)-THCV- and AM251-induced increases in mIPSC frequency beyond basal levels were consistent with basal CB(1) receptor activity. WIN55-induced increases in PC spike firing rate were consistent with synaptic disinhibition; whilst Delta(9)-THCV- and AM251-induced decreases in spike firing suggest a mechanism of PC inhibition.British Journal of Pharmacology advance online publication, 3 March 2008; doi:10.1038/bjp.2008.57.

Cholinergic modulation of intrinsic fibre-evoked excitatory transmission contains a nicotinic component in immature but not adult rat piriform cortex, in vitro

The piriform cortex (PC) is highly prone to epileptogenesis, particularly in immature animals, where decreased muscarinic modulation of PC intrinsic fibre excitatory neurotransmission is implicated as a likely cause. However, whether higher levels of acetylcholine (ACh) release occur in immature vs. adult PC remains unclear. We investigated this using in vitro extracellular electrophysiological recording techniques. Intrinsic fibre-evoked extracellular field potentials (EFPs) were recorded from layers II to III in PC brain slices prepared from immature (P14-18) and adult (P>40) rats. Adult and immature PC EFPs were suppressed by eserine (1muM) or neostigmine (1muM) application, with a greater suppression in immature ( approximately 40%) than adult ( approximately 30%) slices. Subsequent application of atropine (1muM) reversed EFP suppression, producing supranormal ( approximately 12%) recovery in adult slices, suggesting that suppression was solely muscarinic ACh receptor-mediated and that some 'basal' cholinergic 'tone' was present. Conversely, atropine only partially reversed anticholinesterase effects in immature slices, suggesting the presence of additional non-muscarinic modulation. Accordingly, nicotine (50muM) caused immature field suppression ( approximately 30%) that was further enhanced by neostigmine, whereas it had no effect on adult EFPs. Unlike atropine, nicotinic antagonists, mecamylamine and methyllycaconitine, induced immature supranormal field recovery ( approximately 20%) following anticholinesterase-induced suppression (with no effect on adult slices), confirming that basal cholinergic 'tone' was also present. We suggest that nicotinic inhibitory cholinergic modulation occurs in the immature rat PC intrinsic excitatory fibre system, possibly to complement the existing, weak muscarinic modulation, and could be another important developmentally regulated system governing immature PC susceptibility towards epileptogenesis.

Developmental changes in presynaptic muscarinic modulation of excitatory and inhibitory neurotransmission in rat piriform cortex in vitro: relevance to epileptiform bursting susceptibility

Suppression of depolarizing postsynaptic potentials and isolated GABA-A receptor-mediated fast inhibitory postsynaptic potentials by the muscarinic acetylcholine receptor agonist, oxotremorine-M (10 microM), was investigated in adult and immature (P14-P30) rat piriform cortical (PC) slices using intracellular recording. Depolarizing postsynaptic potentials evoked by layers II-III stimulation underwent concentration-dependent inhibition in oxotremorine-M that was most likely presynaptic and M2 muscarinic acetylcholine receptor-mediated in immature, but M1-mediated in adult (P40-P80) slices; percentage inhibition was smaller in immature than in adult piriform cortex. In contrast, compared with adults, layer Ia-evoked depolarizing postsynaptic potentials in immature piriform cortex slices in oxotremorine-M, showed a prolonged multiphasic depolarization with superimposed fast transients and spikes, and an increased 'all-or-nothing' character. Isolated N-methyl-d-aspartate receptor-mediated layer Ia depolarizing postsynaptic potentials (although significantly larger in immature slices) were however, unaffected by oxotremorine-M, but blocked by dl-2-amino-5-phosphonovaleric acid. Fast inhibitory postsynaptic potentials evoked by layer Ib or layers II-III-fiber stimulation in immature slices were significantly smaller than in adults, despite similar estimated mean reversal potentials ( approximately -69 and -70 mV respectively). In oxotremorine-M, only layer Ib-fast inhibitory postsynaptic potentials were suppressed; suppression was again most likely presynaptic M2-mediated in immature slices, but M1-mediated in adults. The degree of fast inhibitory postsynaptic potential suppression was however, greater in immature than in adult piriform cortex. Our results demonstrate some important physiological and pharmacological differences between excitatory and inhibitory synaptic systems in adult and immature piriform cortex that could contribute toward the increased susceptibility of this region to muscarinic agonist-induced epileptiform activity in immature brain slices.

A novel component of cannabis extract potentiates excitatory synaptic transmission in rat olfactory cortex in vitro

Cannabis is a potential treatment for epilepsy, although the few human studies supporting this use have proved inconclusive. Previously, we showed that a standardized cannabis extract (SCE), isolated Delta(9)-tetrahydrocannabinol (Delta(9)-THC), and even Delta(9)-THC-free SCE inhibited muscarinic agonist-induced epileptiform bursting in rat olfactory cortical brain slices, acting via CB1 receptors. The present work demonstrates that although Delta(9)-THC (1microM) significantly depressed evoked depolarizing postsynaptic potentials (PSPs) in rat olfactory cortex neurones, both SCE and Delta(9)-THC-free SCE significantly potentiated evoked PSPs (all results were fully reversed by the CB1 receptor antagonist SR141716A, 1microM); interestingly, the potentiation by Delta(9)-THC-free SCE was greater than that produced by SCE. On comparing the effects of Delta(9)-THC-free SCE upon evoked PSPs and artificial PSPs (aPSPs; evoked electrotonically following brief intracellular current injection), PSPs were enhanced, whereas aPSPs were unaffected, suggesting that the effect was not due to changes in background input resistance. Similar recordings made using CB1 receptor-deficient knockout mice (CB1(-/-)) and wild-type littermate controls revealed cannabinoid or extract-induced changes in membrane resistance, cell excitability and synaptic transmission in wild-type mice that were similar to those seen in rat neurones, but no effect on these properties were seen in CB1(-/-) cells. It appears that the unknown extract constituent(s) effects over-rode the suppressive effects of Delta(9)-THC on excitatory neurotransmitter release, which may explain some patients' preference for herbal cannabis rather than isolated Delta(9)-THC (due to attenuation of some of the central Delta(9)-THC side effects) and possibly account for the rare incidence of seizures in some individuals taking cannabis recreationally

Medicinal cannabis: is delta9-tetrahydrocannabinol necessary for all its effects?

Cannabis is under clinical investigation to assess its potential for medicinal use, but the question arises as to whether there is any advantage in using cannabis extracts compared with isolated Delta9-trans-tetrahydrocannabinol (Delta9THC), the major psychoactive component. We have compared the effect of a standardized cannabis extract (SCE) with pure Delta9THC, at matched concentrations of Delta9THC, and also with a Delta9THC-free extract (Delta9THC-free SCE), using two cannabinoid-sensitive models, a mouse model of multiple sclerosis (MS), and an in-vitro rat brain slice model of epilepsy. Whilst SCE inhibited spasticity in the mouse model of MS to a comparable level, it caused a more rapid onset of muscle relaxation, and a reduction in the time to maximum effect compared with Delta9THC alone. The Delta9THC-free extract or cannabidiol (CBD) caused no inhibition of spasticity. However, in the in-vitro epilepsy model, in which sustained epileptiform seizures were induced by the muscarinic receptor agonist oxotremorine-M in immature rat piriform cortical brain slices, SCE was a more potent and again more rapidly-acting anticonvulsant than isolated Delta9THC, but in this model, the Delta9THC-free extract also exhibited anticonvulsant activity. Cannabidiol did not inhibit seizures, nor did it modulate the activity of Delta9THC in this model. Therefore, as far as some actions of cannabis were concerned (e.g. antispasticity), Delta9THC was the active constituent, which might be modified by the presence of other components. However, for other effects (e.g. anticonvulsant properties) Delta9THC, although active, might not be necessary for the observed effect. Above all, these results demonstrated that not all of the therapeutic actions of cannabis herb might be due to the Delta9THC content