Rôle des récepteurs glutamatergiques dans l'activité épileptiforme des interneurones inhibiteurs de l'hippocampe

Les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (TLE) ainsi que les rats injectés à l'acide kaïnique (KA) exhibent des patrons pathophysiologiques similaires de crises, de sclérose de l'hippocampe et de perte de certains types neuronaux. Parmi les cellules atteintes dans le modèle KA du TLE on retrouve certains interneurones inhibiteurs du CA1. En effet, certains interneurones des couches oriens et alveus (O/A-IN) meurent suite à une injection de KA chez le rat, contrairement aux interneurones à la bordure des couches radiatum et lacunosum/moleculare (R/LM-IN) de la même région. Bien que cette perte soit empêchée par des antagonistes des récepteurs glutamatergiques métabotropes de groupe I (mGluR1/5), la cause de cette perte sélective des O/A-INs reste à être précisée. Au cours des travaux de cette thèse, nous avons effectué des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule-entière en modes courant- et voltage-imposé couplés à l'imagerie calcique pour étudier les causes de la vulnérabilité sélective des O/A-INs dans ce modèle. Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d'une application aiguë de KA sur les propriétés membranaires et calciques pour voir s'il y avait des différences entre les O/A-INs et R/LM-INs qui pourraient expliquer la vulnérabilité. Nos résultats montrent que les dépolarisations et variations de résistance d'entrée ainsi que les augmentations de calcium intracellulaire, dépendantes principalement des récepteurs -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA), sont similaires entre les deux types d'interneurones suite à des applications aigües de KA. Ceci indique que l'effet aigu du KA sur les interneurones ne serait pas la cause de la vulnérabilité des O/A-INs. Dans un second temps nous avons comparé l'implication des sous-types de récepteurs mGluR1 et 5 dans l'activité épileptiforme des deux types d'interneurones évoquée dans un modèle de tranche désinhibée. Dans ce cas, nos données montrent un rôle important des mGluR1 et 5 activés synaptiquement lors des décharges épileptiformes et ce, de manière spécifique aux O/A-INs. Les courants synaptiques sous-tendant ces décharges impliquent des récepteurs ionotropes et métabotropes du glutamate. En présence d'antagonistes des récepteurs ionotropes glutamatergiques, les courants synaptiques sont biphasiques et formés de composantes rapide et lente. Les récepteurs mGluR1 et 5 sont différemment impliqués dans ces composantes: les mGluR5 étant impliqués dans les composantes rapide et lente, et les mGluR1 que dans la composante lente. Ces résultats indiquent que les mGluR1 et 5 contribuent différemment à l'activité épileptiforme, et spécifiquement dans les O/A-INs, et pourraient donc être impliqués dans la vulnérabilité sélective de ces interneurones dans le modèle KA.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.

Δ9-tetrahydrocannabivarin suppresses in vitro epileptiform and in vivo seizure activity in adult rat

Purpose: We assessed the anticonvulsant potential of the phytocannabinoid Δ9-tetrahydrocannabivarin (Δ9-THCV) by investigating its effects in an in vitro piriform cortex (PC) brain slice model of epileptiform activity, on cannabinoid CB1 receptor radioligand-binding assays and in a generalized seizure model in rats. Methods: Δ9-THCV was applied before (10 μmΔ9-THCV) or during (10–50 μmΔ9-THCV) epileptiform activity induced by Mg2+-free extracellular media in adult rat PC slices and measured using multielectrode array (MEA) extracellular electrophysiologic techniques. The actions of Δ9-THCV on CB1 receptors were examined using [3H]SR141716A competition binding and [35S]GTPS assays in rat cortical membranes. Effects of Δ9-THCV (0.025–2.5 mg/kg) on pentylenetetrazole (PTZ)–induced seizures in adult rats were also assessed. Results: After induction of stable spontaneous epileptiform activity, acute Δ9-THCV application (≥20 μm) significantly reduced burst complex incidence and the amplitude and frequency of paroxysmal depolarizing shifts (PDSs). Furthermore, slices pretreated with 10 μmΔ9-THCV prior to induction of epileptiform activity exhibited significantly reduced burst complex incidence and PDS peak amplitude. In radioligand-binding experiments, Δ9-THCV acted as a CB1 receptor ligand, displacing 0.5 nm [3H]SR141716A with a Ki∼290 nm, but exerted no agonist stimulation of [35S]GTPS binding. In PTZ-induced seizures in vivo, 0.25 mg/kg Δ9-THCV significantly reduced seizure incidence. Discussion: These data demonstrate that Δ9-THCV exerts antiepileptiform and anticonvulsant properties, actions that are consistent with a CB1 receptor–mediated mechanism and suggest possible therapeutic application in the treatment of pathophysiologic hyperexcitability states.

Nonpsychotropic plant cannabinoids, cannabidivarin (CBDV) and cannabidiol (CBD), activate and desensitize transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) channels in vitro: potential for the treatment of neuronal hyperexcitability

Epilepsy is the most common neurological disorder, with over 50 million people worldwide affected. Recent evidence suggests that the transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1) may contribute to the onset and progression of some forms of epilepsy. Since the two nonpsychotropic cannabinoids cannabidivarin (CBDV) and cannabidiol (CBD) exert anticonvulsant activity in vivo and produce TRPV1-mediated intracellular calcium elevation in vitro, we evaluated the effects of these two compounds on TRPV1 channel activation and desensitization and in an in vitro model of epileptiform activity. Patch clamp analysis in transfected HEK293 cells demonstrated that CBD and CBDV dose-dependently activate and rapidly desensitize TRPV1, as well as TRP channels of subfamily V type 2 (TRPV2) and subfamily A type 1 (TRPA1). TRPV1 and TRPV2 transcripts were shown to be expressed in rat hippocampal tissue. When tested on epileptiform neuronal spike activity in hippocampal brain slices exposed to a Mg2+-free solution using multielectrode arrays (MEAs), CBDV reduced both epileptiform burst amplitude and duration. The prototypical TRPV1 agonist, capsaicin, produced similar, although not identical effects. Capsaicin, but not CBDV, effects on burst amplitude were reversed by IRTX, a selective TRPV1 antagonist. These data suggest that CBDV antiepileptiform effects in the Mg2+-free model are not uniquely mediated via activation of TRPV1. However, TRPV1 was strongly phosphorylated (and hence likely sensitized) in Mg2+-free solution-treated hippocampal tissue, and both capsaicin and CBDV caused TRPV1 dephosphorylation, consistent with TRPV1 desensitization. We propose that CBDV effects on TRP channels should be studied further in different in vitro and in vivo models of epilepsy.

The antiepileptic activity of JSTX-3 is mediated by N-methyl-D-aspartate receptors in human hippocampal neurons

We analyzed the effect of the acylpolyaminetoxin JSTX-3 on the epileptogenic discharges induced by perfusion of human hippocampal slices with artificial cerebrospinal fluid lacking Mg2+ or N-methyl-D-aspartate. Hippocampi were surgically removed from patients with refractory medial temporal lobe epilepsy, sliced in the surgical room and taken to the laboratory immersed in normal artificial cerebrospinal fluid. Epileptiform activity was induced by perfusion with Mg2+-free artificial cerebrospinal fluid or by iontophoretically applied N-methyl-D-aspartate and intracellular and field recordings of CAI neurons were performed. The ictal-like discharges induced by Mg2+-free artificial cerebrospinal fluid and N-methyl-D-aspartate were blocked by incubation with JSTX-3. This effect was similar to that obtained with the N-methyl-D-aspartate receptor antagonist DL(-)2-amino-5 phosphonovaleric acid. Our findings suggest that in human hippocampal neurons, the antiepileptic effect of JSTX-3 is mediated by its action on N-methyl-D-aspartate receptor.

Consequences of pilocarpine-induced status epilepticus in immunodeficient mice

Systemic injection of pilocarpine in rodents induces status epilepticus (SE) and reproduces the main characteristics of temporal lobe epilepsy (TLE). Different mechanisms are activated by SE contributing to cell death and immune system activation. We used BALB/c nude mice, a mutant that is severely immunocompromised, to characterize seizure pattern, neurochemical changes, cell death and c-Fos activation secondarily to pilocarpine-induced SE. The behavioral seizures were less severe in BALB/c nude than in BALB/c wild type mice. However, nude mice presented more tonic clonic episodes and higher mortality rate during SE. The c-Fos expression was most prominent in the caudate-putamen, CA3 (p < 0.05), dentate gyrus, entorhinal cortex (p < 0.001), basolateral nucleus of amygdala (p < 0.01) and piriform cortex (p < 0.05) of BALB/c nude mice than of BALB/c. Besides, nude mice subjected to SE presented high number of Fluorojade-B (FJB) stained cells in the piriform cortex, amygdala (p < 0.05) and hilus (p < 0.05) in comparison with BALB/c mice. A significant increase in the level of glutamate and GABA was found in the hippocampus and cortex of BALB/c mice presenting SE in comparison to controls. However, the level of glutamate was higher in the brains of BALB nude mice than in the brains of BALB/c wild type mice, while the levels of GABA were unchanged. These results indicate that the brains of immunodeficient nude mice are more vulnerable to the deleterious effects of pilocarpine-induced SE as they present intense activation, increased glutamate levels and more cell death. Published by Elsevier B.V.

Intrazelluläre Lokalisation und synaptische Ausschüttung der Neurotrophine in hippokampalen Neuronen und die Bedeutung von BDNF bei hippokampaler synaptischer Plastizität

Die Mitglieder der Neurotrophin-Familie (NGF, BDNF, NT-3 und NT-4) sind sekretierte Neuropeptide, die eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung von Nervenzellen und bei der Modulation der synaptischen Transmission spielen. Wenngleich eine aktivitätsabhängige Sekretion von BDNF bereits gezeigt werden konnte, wurden die subzelluläre Expression und die Ausschüttung der anderen Neurotrophine bislang nur unzureichend charakterisiert. Um die Expression und die Ausschüttung aller Neurotrophine unter identischen Bedingungen untersuchen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit das Expressionsmuster und die synaptische Ausschüttung GFP-markierter Neurotrophine in dissoziierten hippokampalen Neuronen mit Hilfe der konfokalen Fluoreszenz-Videomikroskopie zeitaufgelöst untersucht. Zwei Phänotypen konnten unterschieden werden: der distale vesikuläre Expressionstyp mit Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln in distalen Neuriten, und der proximale Expressionstyp mit einer diffusen Neurotrophin-Verteilung in den Neuriten und Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln im Soma des Neurons und in den proximalen Dendriten. Der distale vesikuläre Phänotyp entsprach einer Verteilung des entsprechenden Neurotrophins in die sekretorischen Granula des aktivitätsabhängigen Sekretionsweges, während der proximale Phänotyp den Transport eines Neurotrophins in den konstitutiven Sekretionsweg widerspiegelte. Alle Neurotrophine erreichten in hippokampalen Neuronen prinzipiell beide Sekretionswege. Jedoch gelangten BDNF und NT-3 mit einer größeren Effizienz in den regulierten Sekretionsweg als NT-4 und NGF (BDNF: in 98% aller Zellen, NT-3: 85%, NT-4: 23% und NGF: 46%). Neurotrophine besitzen, wie es für sekretorische Peptide üblich ist, eine Vorläufersequenz, die während der Reifung des Proteins proteolytisch abgespalten wird. Die Fusion dieser Präpro-Sequenz von BDNF mit der Sequenz des maturen NT-4 bewirkte einen effizienteren Transport von NT-4 in die sekretorischen Granula des regulierten Sekretionsweges, und zeigte die große Bedeutung der Präpro-Sequenz für das zelluläre Verteilungsmuster von Neurotrophinen. In Neuronen, in denen die Neurotrophine in den regulierten Sekretionsweg transportiert wurden, konnte eine aktivitätsabhängige Sekretion der Neurotrophine an postsynaptische Strukturen glutamaterger Synapsen beobachtet werden. Die aktivitätsabhängige postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine zeigte eine Heterogenität in der Kinetik der Sekretion (exponentieller Abfall des Neurotrophin-Signals mit Zeitkonstanten von tau = 121 bis 307s). Die Präinkubtion mit dem Protonen-Ionophor Monensin, welcher die Neutralisation des intragranulären pH-Wertes und somit die Solubilisierung der dicht gepackten Proteinstrukturen in den Vesikeln erzwingt, erhöhte die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung auf den Wert des unter physiologischen Bedingungen schnellsten Neurotrophins NT-4. Dennoch blieb die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur Neurotransmitter-Ausschüttung langsam (tau = 13 ± 2 s). Diese Daten belegen eindeutig, dass die Neutralisation der sekretorischen Granula die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung kritisch determiniert und die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur konventionellen Neurotransmitter-Ausschüttung langsam erfolgt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das Neurotrophin BDNF effizient in distale vesikuläre Strukturen von CA1 Pyramidenzellen organotypischer Schnittkulturen des Hippokampus sortiert wird. Die basalen elektrischen Eigenschaften von CA1 Pyramidenzellen BDNF-defizienter Mäuse sind vergleichbar zu den Eigenschaften von Wildtyp Mäusen. Sowohl das Eigenpotential der CA1 Pyramidenzellen, die Form der Aktionspotentiale als auch die evozierten Antworten der CA1 Pyramdenzellen auf eine gepaarte präsynaptische Stimulation der Schaffer-Kollateralen zeigten bei BDNF-/- -, BDNF+/- - und BDNF+/+ -Mäusen keine signifikanten Unterschiede. Die Fähigkeit der CA1 Pyramidenzellen auf eine hochfrequente Reizung mit einer Langzeitpotenzierung (LTP) der postsynaptischen Ströme zu reagieren ist jedoch bei den BDNF-defizienten Mäusen beinträchtigt. Eine verminderte Induktion von LTP war in den BDNF-defizienten Mäusen nach tetanischer Stimulation der präsynaptischen Schaffer-Kollateralen und simultaner postsynaptischer Depolarisation der CA1 Pyramidenzelle zu beobachten.

In vitro modulation of epileptiform activity in the hippocampal formation of immature rodents by GABAergic antagonists, dopamine and methylxanthines

Während des frühen Lebens stellen epileptische Anfälle schwere neurologische Zustände dar, weil sie ein großer Risikofaktor für die Manifestation der Epilepsie sind und eine hohe pharmakologische Resistenz zeigen. In meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Frage, wie verschiedene Neurotransmitter-Systeme und klinisch verwendete Medikamente epileptiforme Entladungen im perinatalen Hippocampus beeinflussen. rnIm ersten Teil meines Projektes untersuchte ich die Wirkung von GABA-Antagonisten und Modulatoren, die zwischen phasischen und tonischen GABAergen Strömen differenzieren, auf Feldpotentialaktivität in Hippocampusschnitten. Diese Experimente zeigten, dass im unreifen Hippocampus synaptische GABAerge Aktivität benötigt wird, um die Erregbarkeit zu begrenzen, während tonische GABAerge Ströme die Erregbarkeit verstärken können. Dies könnte darauf hinweisen, dass Antiepileptika mit einer höheren Spezifität für synaptische GABAA-Rezeptoren wirksamer zur Behandlung von epileptischen Anfällen bei Neugeborenen sein können. rnUm den Einfluss von Dopamin auf die Erregbarkeit des unreifen Hippocampus herauszufinden, untersuchte ich im zweiten Teil meiner Arbeit die Wirkung von verschiedenen Dopaminkonzentrationen und spezifische Agonisten und Antagonisten der Dopamin-Rezeptor-Subtypen auf epileptiforme Entladungen. Diese Experimente zeigten, dass niedrige Dopamin Konzentrationen eine antikonvulsive Wirkung haben, welche vom D2-ähnliche-Rezeptor-Agonisten Quinpirol nachgeahmt werden kann, während höhere Dopamin-Konzentrationen eine prokonvulsive Wirkung über Aktivierung von D1-ähnlichen Rezeptoren hervorrufen. Obwohl unsere Untersuchungen eine mögliche Verwendung von D2-ähnlichen Rezeptor-Agonisten zur Kontrolle epileptischer Anfälle in Neugeborenen nahelegen, müssen mögliche negative Auswirkungen von DAergen Agonisten und Antagonisten auf die neuronale Entwicklung berücksichtigt werden.rnIm dritten Teil meiner Arbeit untersuchte ich welche Konzentrationen von Methylxanthinen epileptische Anfälle in Hippocampuspreparationen auslösen die synaptische Übertragungen verändern können. Diese Experimente zeigten, dass sowohl Theophyllin als auch Koffein in höheren Konzentrationen die basale synaptische Übertragungen in der CA1-Region des Hippocampus modifizieren und epileptiforme Entladungen provozieren. Die Auswirkungen auf die postsynaptischen Antworten und spontanen epileptiformen Entladungen durch Koffein waren weniger ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass diese Substanz potentiell vorteilhafter für therapeutische Anwendungen bei Frühgeborenen sein kann. rnZusammenfassend bereichern die Ergebnisse meiner Studie erheblich unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen epileptiformer Aktivität im unreifen Hippocampus und den therapeutischen Einsatz von Methylxanthinen und Pharmaka, die auf das GABAerge und DArge System einwirken.rnrn

Signalling mechanisms affecting regulated neurotrophin secretion in hippocampal neurons

Die Neurotrophine aus Säugetiere BDNF und NT-3 sind von Neuronen sekretierte Wachstumsfaktoren. Ferner sind Neurotrophine in verschiedene Formen der aktivitätsabhängigen synaptische Plastizität involviert. Obwohl die Ausschüttung von Neurotrophine aus Synapsen beschrieben worden ist, sind die intrazellulären Signalkaskaden, die die synaptische Ausschüttung von Neurotrophine regulieren, bei weitem nicht verstanden. Deswegen ist die Analyse der Sekretion von Neurotrophine auf subzellulärer Ebene erforderlich, um die genaue Rolle von präsynaptische und postsynaptische NT-Sekretion in der synaptischen Plastizität aufzudecken. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kulturen von dissoziierten hippocampalen Neuronen aus Ratten mit grün fluoreszierenden Protein-markierten Konstrukten von BDNF und NT-3 transfiziert und Neurotrophine-enthaltenden Vesikeln durch die Colokalisierung mit dem cotransfizierten postsynaptischen Marker PSD-95-DsRed an glutamatergen Synapsen identifiziert. Depolarisationsinduzierte Sekretion von BDNF und NT-3 wurde per Direktaufnahme am Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Die unvermittelte postsynaptische Depolarisation mit erhöhtem Kalium, in Gegenwart von Inhibitoren der synaptischen Transmission, erlaubte die Untersuchung der Signalwege, die am postsynaptischen Sekretionsprozess der Neurotrophinvesikel beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die depolarisationsinduzierte postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine durch Calcium-Einstrom ausgelöst wird, entweder über L-Typ-spannungsabhängige Calcium-Kanäle oder über NMDA-Rezeptoren. Eine anschließende Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern über Ryanodin-Rezeptoren ist für den Sekretionsprozess erforderlich. Die postsynaptische Neurotrophinausschüttung wird durch KN-62 und KN-93 gehemmt, was auf eine unmittelbare Abhängigkeit von aktiver alpha-Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII) hinweist. Der Inhibitor der cAMP/Proteinkinase A (PKA), Rp-cAMP-S, sowie der NO-Donor, SNP, minderten die Neurotrophinausschüttung. Hingegen blieben die Erhöhung des intrazellulären cAMP und der NO-Synthase-Inhibitor L-NMMA ohne Wirkung. Mit dem Trk-Inhibitor K252a konnte gezeigt werden, dass autokrine Neurotrophin-induzierte Neurotrophinausschüttung nicht an der synaptischen Freisetzung der Neurotrophine beiträgt und, dass BDNF seine eigene postsynaptische Sekretion nicht auslöst. Freisetzungsexperimente mit dem Fluoreszenz-Quencher Bromphenolblau konnten den Nachweis erbringen, dass asynchrone und anhaltende Fusionsporenöffnung von Neurotrophinvesikeln während der Sekretion stattfindet. Wegen der im Vergleich zum komplexen Sekretionsprozess schnellen Fusionsporenöffnung, scheint die Freisetzungsgeschwindigkeit von Neurotrophine durch ihre Diffusion aus dem Vesikel begrenzt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine starke Abhängigkeit der aktivitätsabhängigen postsynaptischen Neurotrophinausschüttung vom Calcium-Einstrom, von der Freisetzung von Calcium aus internen Speichern, von der Aktivierung der CaMKII und einem intakten Funktion der PKA, während der Trk-Signalweg, die Aktivierung von Natrium-Kanäle und NO-Signale nicht erforderlich sind.

Reduction in rat phosphatidylethanolamine binding protein-1 (PEBP1) after chronic corticosterone treatment may be paralleled by cognitive impairment: a first study

Chronic stress is associated with hippocampal atrophy and cognitive dysfunction. This study investigates how long-lasting administration of corticosterone as a mimic of experimentally induced stress affects psychometric performance and the expression of the phosphatidylethanolamine binding protein (PEBP1) in the adult hippocampus of one-year-old male rats. Psychometric investigations were conducted in rats before and after corticosterone treatment using a holeboard test system. Rats were randomly attributed to 2 groups (n = 7) for daily subcutaneous injection of either 26.8 mg/kg body weight corticosterone or sesame oil (vehicle control). Treatment was continued for 60 days, followed by cognitive retesting in the holeboard system. For protein analysis, the hippocampal proteome was separated by 2D electrophoresis (2DE) followed by image processing, statistical analysis, protein identification via peptide mass fingerprinting and gel matching and subsequent functional network mapping and molecular pathway analysis. Differential expression of PEBP1 was additionally quantified by Western blot analysis. Results show that chronic corticosterone significantly decreased rat hippocampal PEBP1 expression and induced a working and reference memory dysfunction. From this, we derive the preliminary hypothesis that PEBP1 may be a novel molecular mediator influencing cognitive integrity during chronic corticosterone exposure in rat hippocampus.

Muscarinic stimulation of synaptic activity by protein kinase C is inhibited by adenosine in cultured hippocampal neurons

We have studied the effect of the cholinergic agonist carbachol on the spontaneous release of glutamate in cultured rat hippocampal cells. Spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) through glutamatergic α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA)-type channels were recorded by means of the patch-clamp technique. Carbachol increased the frequency of sEPSCs in a concentration-dependent manner. The kinetic properties of the sEPSCs and the amplitude distribution histograms were not affected by carbachol, arguing for a presynaptic site of action. This was confirmed by measuring the turnover of the synaptic vesicular pool by means of the fluorescent dye FM 1–43. The carbachol-induced increase in sEPSC frequency was not mimicked by nicotine, but could be blocked by atropine or by pirenzepine, a muscarinic cholinergic receptor subtype M1 antagonist. Intracellular Ca2+ signals recorded with the fluorescent probe Fluo-3 indicated that carbachol transiently increased intracellular Ca2+ concentration. Since, however, carbachol still enhanced the sEPSC frequency in bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N′,N′-tetra-acetate-loaded cells, this effect could not be attributed to the rise in intracellular Ca2+ concentration. On the other hand, the protein kinase inhibitor staurosporine as well as a down-regulation of protein kinase C by prolonged treatment of the cells with 4β-phorbol 12-myristate 13-acetate inhibited the carbachol effect. This argues for an involvement of protein kinase C in presynaptic regulation of spontaneous glutamate release. Adenosine, which inhibits synaptic transmission, suppressed the carbachol-induced stimulation of sEPSCs by a G protein-dependent mechanism activated by presynaptic A1-receptors.

Chemokines regulate hippocampal neuronal signaling and gp120 neurotoxicity

The HIV-1 envelope protein gp120 induces apoptosis in hippocampal neurons. Because chemokine receptors act as cellular receptors for HIV-1, we examined rat hippocampal neurons for the presence of functional chemokine receptors. Fura-2-based Ca imaging showed that numerous chemokines, including SDF-1α, RANTES, and fractalkine, affect neuronal Ca signaling, suggesting that hippocampal neurons possess a wide variety of chemokine receptors. Chemokines also blocked the frequency of spontaneous glutamatergic excitatory postsynaptic currents recorded from these neurons and reduced voltage-dependent Ca currents in the same neurons. Reverse transcription–PCR demonstrated the expression of CCR1, CCR4, CCR5, CCR9/10, CXCR2, CXCR4, and CX3CR1, as well as the chemokine fractalkine in these neurons. Both fractalkine and macrophage-derived chemokine (MDC) produced a time-dependent activation of extracellular response kinases (ERK)-1/2, whereas no activation of c-JUN NH2-terminal protein kinase (JNK)/stress-activated protein kinase, or p38 was evident. Furthermore, these two chemokines, as well as SDF-1α, activated the Ca- and cAMP-dependent transcription factor CREB. Several chemokines were able also to block gp120-induced apoptosis of hippocampal neurons, both in the presence and absence of the glial feeder layer. These data suggest that chemokine receptors may directly mediate gp120 neurotoxicity.

Very short-term plasticity in hippocampal synapses

Hippocampal pyramidal neurons often fire in bursts of action potentials with short interspike intervals (2–10 msec). These high-frequency bursts may play a critical role in the functional behavior of hippocampal neurons, but synaptic plasticity at such short times has not been carefully studied. To study synaptic modulation at very short time intervals, we applied pairs of stimuli with interpulse intervals ranging from 7 to 50 msec to CA1 synapses isolated by the method of minimal stimulation in hippocampal slices. We have identified three components of short-term paired-pulse modulation, including (i) a form of synaptic depression manifested after a prior exocytotic event, (ii) a form of synaptic depression that does not depend on a prior exocytotic event and that we postulate is based on inactivation of presynaptic N-type Ca2+ channels, and (iii) a dependence of paired-pulse facilitation on the exocytotic history of the synapse.

Microtubule-dependent Recruitment of Staufen-Green Fluorescent Protein into Large RNA-containing Granules and Subsequent Dendritic Transport in Living Hippocampal NeuronsV⃞

Dendritic mRNA transport and local translation at individual potentiated synapses may represent an elegant way to form synaptic memory. Recently, we characterized Staufen, a double-stranded RNA-binding protein, in rat hippocampal neurons and showed its presence in large RNA-containing granules, which colocalize with microtubules in dendrites. In this paper, we transiently transfect hippocampal neurons with human Staufen-green fluorescent protein (GFP) and find fluorescent granules in the somatodendritic domain of these cells. Human Stau-GFP granules show the same cellular distribution and size and also contain RNA, as already shown for the endogenous Stau particles. In time-lapse videomicroscopy, we show the bidirectional movement of these Staufen-GFP–labeled granules from the cell body into dendrites and vice versa. The average speed of these particles was 6.4 μm/min with a maximum velocity of 24.3 μm/min. Moreover, we demonstrate that the observed assembly into granules and their subsequent dendritic movement is microtubule dependent. Taken together, we have characterized a novel, nonvesicular, microtubule-dependent transport pathway involving RNA-containing granules with Staufen as a core component. This is the first demonstration in living neurons of movement of an essential protein constituent of the mRNA transport machinery.

β-Amyloid peptide blocks the response of α7-containing nicotinic receptors on hippocampal neurons

Alzheimer's disease produces a devastating decline in mental function, with profound effects on learning and memory. Early consequences of the disease include the specific loss of cholinergic neurons in brain, diminished cholinergic signaling, and the accumulation of β-amyloid peptide in neuritic plaques. Of the nicotinic acetylcholine receptors at risk, the most critical may be those containing the α7 gene product (α7-nAChRs), because they are widespread, have a high relative permeability to calcium, and regulate numerous cellular events in the nervous system. With the use of whole-cell patch–clamp recording we show here that nanomolar concentrations of β-amyloid peptides specifically and reversibly block α7-nAChRs on rat hippocampal neurons in culture. The block is noncompetitive, voltage-independent, and use-independent and is mediated through the N-terminal extracellular domain of the receptor. It does not appear to require either calcium influx or G protein activation. β-Amyloid blockade is likely to be a common feature of α7-nAChRs because it applies to the receptors at both somato-dendritic and presynaptic locations on rat hippocampal neurons and extends to homologous receptors on chick ciliary ganglion neurons as well. Because α7-nAChRs in the central nervous system are thought to have numerous functions and recently have been implicated in learning and memory, impaired receptor function in this case may contribute to cognitive deficits associated with Alzheimer's disease.