Mechanisms of H+ modulation of glycinergic response in rat sacral dorsal commissural neurons

Many ionotropic receptors are modulated by extracellular H+. So far, few studies have directly addressed the role of such modulation at synapses. In the present study, we investigated the effects of changes in extracellular pH on glycinergic miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs) as well as glycine-evoked currents (I-Gly) in mechanically dissociated spinal neurons with native synaptic boutons preserved. H+ modulated both the mIPSCs and I-Gly, biphasically, although it activated an amiloride-sensitive inward current by itself. Decreasing extracellular pH reversibly inhibited the amplitude of the mIPSCs and I-Gly, while increasing external pH reversibly potentiated these parameters. Blockade of acid-sensing ion channels (ASICs) with amiloride, the selective antagonist of ASICs, or decreasing intracellular pH did not alter the modulatory effect of H+ on either mIPSCs or I-Gly, H+ shifted the EC50 of the glycine concentration-response curve from 49.3 +/- 5.7 muM at external pH 7.4 to 131.5 +/- 8.1 muM at pH 5.5, without altering the Cl- selectivity of the glycine receptor (GlyR), the Hill coefficient and the maximal I-Gly, suggesting a competitive inhibition of I-Gly by H+. Both Zn2+ and H+ inhibited I-Gly. However, H+ induced no further inhibition of I-Gly in the presence of a saturating concentration of Zn2+. In addition, H+ significantly affected the kinetics of glycinergic mIPSCs and I-Gly. It is proposed that H+ and/or Zn2+ compete with glycine binding and inhibit the amplitude of glycinergic mIPSCs and I-Gly. Moreover, binding of H+ induces a global conformational change in GlyR, which closes the GlyR Cl- channel and results in the acceleration of the seeming desensitization of IGly as well as speeding up the decay time constant of glycinergic mIPSCs. However, the deprotonation rate is faster than the unbinding rate of glycine from the GlyR, leading to reactivation of the undesensitized GlyR after washout of agonist and the appearance of a rebound I-Gly. H+ also modulated the glycine cotransmitter, GABA-activated current (I-GABA). Taken together, the results support a 'conformational coupling' model for H+ modulation of the GlyR and suggest that W may act as a novel modulator for inhibitory neurotransmission in the mammalian spinal cord.

Implication de Syngap1 dans la transmission GABAergique et la plasticité synaptique

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1.

Effects of the Allosteric Antagonist 1-(4-Chlorophenyl)-3-[3-(6-pyrrolidin-1-ylpyridin-2-yl)phenyl]urea (PSNCBAM-1) on CB1 Receptor Modulation in the Cerebellum

PSNCBAM-1 has recently been described as a cannabinoid CB1 receptor allosteric antagonist associated with hypophagic effects in vivo; however, PSNCBAM-1 effects on CB1 ligand-mediated modulation of neuronal excitability remain unknown. Here, we investigate PSNCBAM-1 actions on CB1 receptor-stimulated [35S]GTPγS binding in cerebellar membranes and on CB1 ligand modulation of presynaptic CB1 receptors at inhibitory interneurone-Purkinje cell (IN-PC) synapses in the cerebellum using whole-cell electrophysiology. PSNCBAM-1 caused non-competitive antagonism in [35S]GTPγS binding studies, with higher potency against the CB receptor agonist CP55940 than for WIN55,212-2 (WIN55). In electrophysiological studies, WIN55 and CP55940 reduced miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs) frequency, but not amplitude. PSNCBAM-1 application alone had no effect on mIPSCs; however, PSNCBAM-1 pre-treatment revealed agonist-dependent functional antagonism, abolishing CP55940-induced reductions in mIPSC frequency, but having no clear effect on WIN55 actions. The CB1 antagonist/inverse agonist AM251 increased mIPSC frequency beyond control, this effect was reversed by PSNCBAM-1. PSNCBAM-1 pre-treatment also attenuated AM251 effects. Thus, PSNCBAM-1 reduced CB1 receptor ligand functional efficacy in the cerebellum. The differential effect of PSNCBAM-1 on CP55940 versus WIN55 actions in [35S]GTPγS binding and electrophysiological studies and the attenuation of AM251 effects are consistent with the ligand-dependency associated with allosteric modulation. These data provide the first description of functional PSNCBAM-1 allosteric antagonist effects on neuronal excitability in the mammalian CNS. PSNCBAM-1 allosteric antagonism may provide viable therapeutic alternatives to orthosteric CB1 antagonists/inverse agonists in the treatment of CNS disease.

Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

Functional presynaptic HCN channels in the rat globus pallidus

Hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated cation (HCN) channels are expressed postsynaptically in the rodent globus pallidus (GP), where they play several important roles in controlling GP neuronal activity. To further elucidate the role of HCN channels in the GP, immunocytochemical and electrophysiological approaches were used to test the hypothesis that HCN channels are also expressed presynaptically on the local axon collaterals of GP neurons. At the electron microscopic level, immunoperoxidase labelling for HCN1 and HCN2 was localized in GP somata and dendritic processes, myelinated and unmyelinated axons, and axon terminals. One population of labelled terminals formed symmetric synapses with somata and proximal dendrites and were immunoreactive for parvalbumin, consistent with the axon collaterals of GABAergic GP projection neurons. In addition, labelling for HCN2 and, to a lesser degree, HCN1 was observed in axon terminals that formed asymmetric synapses and were immunoreactive for the vesicular glutamate transporter 2. Immunogold labelling demonstrated that HCN1 and HCN2 were located predominantly at extrasynaptic sites along the plasma membrane of both types of terminal. To determine the function of presynaptic HCN channels in the GP, we performed whole-cell recordings from GP neurons in vitro. Bath application of the HCN channel blocker ZD7288 resulted in an increase in the frequency of mIPSCs but had no effect on their amplitude, implying that HCN channels tonically regulate the release of GABA. Their presence, and predicted role in modulating transmitter release, represents a hitherto unidentified mechanism whereby HCN channels influence the activity of GP neurons. © The Authors (2007).

Functional CB2 type cannabinoid receptors at CNS synapses

To date, it has been thought that cannabinoid receptors in CNS are primarily of the CB1R subtype, with CB2R expressed only in glia and peripheral tissues. However, evidence for the expression of CB2 type cannabinoid receptors at neuronal sites in the CNS is building through anatomical localization of receptors and mRNA in neurons and behavioural studies of central effects of CB2R agonists. In the medial entorhinal area of the rat, we found that blockade of CB1R did not occlude suppression of GABAergic inhibition by the non-specific endogenous cannabinoid 2-AG, suggesting that CB1R could not account fully for the effects of 2-AG. Suppression could be mimicked using the CB2R agonist JWH-133 and reversed by the CB2R inverse agonist AM-630, indicating the presence of functional CB2R. When we reversed the order of drug application AM-630 blocked the effects of the CB2R agonist JWH-133, but not the CB1R inverse agonist LY320135. JTE-907, a CB2R inverse agonist structurally unrelated to AM-630 elicited increased GABAergic neurotransmission at picomolar concentrations. Analysis of mIPSCs revealed that CB2R effects were restricted to action potential dependent, but not action potential independent GABA release. These data provide pharmacological evidence for functional CB2R at CNS synapses.