Az MGluR5 közvetíti a késői LTP, a hálózati tevékenység és a tanulás kölcsönhatását

Egyformán járult hozzá ehhez a munkához: Arthur Bikbaev, Sergey Neyman

Ruhr Egyetem, Bochum, Bochum, Németország, Orvostudományi Kar, Kísérleti Neurofiziológia Tanszék

Egyformán járult hozzá ehhez a munkához: Arthur Bikbaev, Sergey Neyman

Ruhr Egyetem Orvostudományi Kar, Kísérleti Neurofiziológia Tanszék, Bochum, Bochum, Németország, Szinaptikus Plaszticitás Kutatócsoport, Élettani Intézet (Charité), Humboldt Egyetem, Berlin, Németország

Társulás Instituto Neurologico Mediterraneo (INM), Neuromed, Pozzilli, Olaszország

Tagsági farmakológiai osztály, Vanderbilt Egyetem Orvosi Központ, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Társulások Instituto Neurologico Mediterraneo (INM), Neuromed, Pozzilli, Olaszország, Római Egyetem Humánélettani és Farmakológiai Tanszék „La Sapienza”, Róma, Olaszország

Ruhr Egyetem, Bochum, Bochum, Orvostudományi Kar, Kísérleti Neurofiziológia Tanszék, Németország, Nemzetközi Idegtudományi Doktori Iskola, Ruhr University Bochum, Bochum, Németország

Arthur Bikbaev,
Sergey Neyman,
Richard Teke Ngomba,
Jeffrey Conn,
Ferdinando Nicoletti,
Denise Manahan-Vaughan

Javítás

2008. május 28.: Bikbaev A, Neyman S, Ngomba RT, Conn PJ, Nicoletti F és mtsai. (2008) Javítás: Az MGluR5 közvetíti a Late-LTP, a hálózati tevékenység és a tanulás kölcsönhatását. PLOS ONE 3 (5): 10.1371/annotation/58313075-ff2e-4268-9272-e942aed8d2f6. https://doi.org/10.1371/annotation/58313075-ff2e-4268-9272-e942aed8d2f6 Javítás megtekintése

Ábrák

Absztrakt

A hipokampusz szinaptikus plaszticitását és tanulását a metabotrop glutamát receptorok (mGluR) és különösen az mGluR5 erősen szabályozzák. Itt megvizsgáltuk e jelenségek mGluR5-modulációjának hátterét. Az mGluR5 MPEP-vel történő hosszan tartó farmakológiai blokádja a térbeli memória mély károsodását eredményezte. A hatások 1) az mGluR1a-expresszió csökkenésével jártak a dentate gyrus-ban; 2) károsodott dentatus gyrus LTP; 3) fokozott CA1-LTP és 4) elnyomta a téta (5–10 Hz) és a gamma (30–100 Hz) oszcillációit a fogsebben. Az mGluR1 alloszterikus potencírozása az mGluR5 blokkolása után jelentősen javította a dentate gyrus LTP-t, valamint a gamma oszcillációs aktivitásának elnyomását. A CA3-elváltozások megakadályozták az MPEP-hatásokat a CA1-LTP-re, ami arra utal, hogy a CA1 plaszticitási szintjét az mGluR5-függő szinaptikus és hálózati aktivitás vezérli a dentate gyrus-ban. Ezek az adatok alátámasztják azt a hipotézist, miszerint az elhúzódó mGluR5-inaktiváció megváltoztatja a hippocampus LTP szintjét és a hálózati aktivitást, amelyet részben a fogazati gyrusban bekövetkező károsodott mGluR1-expresszió közvetít. Ennek következménye a hosszú távú tanulás károsodása.

Idézet: Bikbaev A, Neyman S, Ngomba RT, Conn J, Nicoletti F, Manahan-Vaughan D (2008) MGluR5 közvetíti a Late-LTP, a hálózati tevékenység és a tanulás kölcsönhatását. PLoS ONE 3 (5): e2155. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002155

Szerkesztő: Joe Z. Tsien, Georgiai Orvosi Főiskola, Amerikai Egyesült Államok

Fogadott: 2007. október 3 .; Elfogadott: 2008. március 15 .; Közzétett: 2008. május 14

Finanszírozás: Ezt a munkát a Német Kutatási Alapítvány (Deutsche Forschungsgemeinschaft) (DFG) kutatási támogatásával támogatta. A DFG nem vett részt a tanulmány tervezésében és lebonyolításában, az adatok gyűjtésében, elemzésében és értelmezésében, valamint a kézirat elkészítésében, felülvizsgálatában vagy jóváhagyásában.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

A Hippocampus-alapú tanulást és a memóriát valószínűleg a hippocampus szinaptikus plaszticitásának két formája kódolja: a hosszú távú potencírozás (LTP) és a hosszú távú depresszió (LTD) [1] - [2]. Az LTP és LTD N-metil-D-aszpartát-receptor (NMDAR) -függő formáit perforáns út vagy Schaffer-féle biztosíték/commissuralis szálak mintázatos elektromos stimulálása indukálja, és napokig és hetekig kitartanak in vivo [3] - [5]. Noha a metabotrop glutamát receptorok (mGluRs) szerepe a hippokampusz szinaptikus plaszticitásában vitatható pontnak bizonyult az in vitro vizsgálatokban, jelentős következetesség áll fenn ezen receptorok kritikus szerepének alátámasztása érdekében a szinaptikus plaszticitás in vivo fennmaradásában [6] - [11].

A G-fehérjéhez kapcsolt receptorok C családjának tagjaiként az I. csoportba tartozó mGluR-ek nagy extracelluláris doménnel rendelkeznek, amely a glutamát ortoszterikus kötőhelyét, egy heptahelikus transzmembrán domént, amely alloszterikus modulációs kötő helyet tartalmaz, és egy intracelluláris C-terminust, amely kölcsönhatásba lép lehorgonyzó/állványozó fehérjéket és szabályozza az mGluR konstitutív aktivitását [12] - [13]. Az mGluR1 és mGluR5 alkotó I. csoportba tartozó mGluR-ek elsősorban posztszinaptikusan helyezkednek el, és előnyösen kapcsolódnak a Gq/11-hez és annak effektoraihoz, például a foszfolipáz C-hez. Az I. csoportba tartozó mGluR-ek két különböző mechanizmus révén növelik az intracelluláris Ca 2+ koncentrációt: az NMDAR áramok potencírozása és Ca 2+ felszabadulás intracelluláris medencékből (lásd a felülvizsgálatot: [12] - [14]).

Amíg az intracelluláris kalciumszint emelkedése meghatározza az NMDAR-függő hippocampal LTP és LTD [15] expresszióját, amelyek mind fehérjeszintézistől függenek [16] - [17], a citoszolos kalciumkoncentráció változásai önmagában is szerepet játszhatnak. sejtmechanizmusok, amelyek az emlõs agyban tárolják az információt. Az LTP és a térbeli tanulás károsodása az mGluR5 antagonizmus révén [11], [18] szintén összefüggésbe hozható ezen receptorok felületi expressziójának vagy ciklusának változásával [19]. Az I. csoportba tartozó mGluR-ek fontos szerepet játszanak a hálózati aktivitás szabályozásában a hippokampuszban [20] - [22]. Ezeknek a receptoroknak a működési zavarai megváltoztathatják a belső hippocampus hálózat aktivitását, ami viszont befolyásolja a hippocampus képességét az információ tárolására.

Ezeknek a lehetőségeknek a kezelésére készültünk a CA1 hippokampus szeletkészítéséből származó in vitro felvételek és a felnőtt patkány hippocampusának két szubrégiójából származó krónikus elektrofiziológiai felvételek felhasználásával. A vizsgálatokat párhuzamosan végezték a 8 karos radiális labirintusban történő tanulás elemzésével és biokémiai elemzéssel. Az mGluR5 inaktiválás következményeit a hippocampus hálózat aktivitására az intrahippocampalis theta és gamma oszcillációk elemzésével értékeltük.

Adataink azt mutatják, hogy a hippokampusz szinaptikus plaszticitásának mGluR5 általi szabályozása mind az NMDA receptor-függő, mind az LTP fehérjeszintézis-függő fázisában történik. A rövid és a hosszú távú memória csökkenése, amely az mGluR5 farmakológiai blokádját követően figyelhető meg, párosul a késői LTP hiányával a dentate gyrusban és az LTP fokozásával a CA1 régióban. Ez a hatás viszont az mGluR1a receptor expressziójának gátlásával és a téta-gamma aktivitás megváltozásával jár együtt a dentate gyrus-ban. Feltételezzük, hogy az mGluR1a lefelé történő szabályozása kulcsfontosságú tényező a hosszan tartó mGluR5 blokád által közvetített hatásokban: az mGluR1a potenciátorral történő kezelés visszafordította a hatásokat a dentate gyrus-ban, és a CA3-lézió megakadályozta a hatásokat a CA1 régióban. Adataink szoros kapcsolatot biztosítanak a teta-gamma aktivitás, az LTP expresszió és a rövid és hosszú távú memória kódolása között a hippokampuszban, és alátámasztják, hogy az mGluR5 erősen szabályozza ezeket a jelenségeket az mGluR1 expressziójának szabályozását magában foglaló mechanizmus segítségével.

Eredmények

A hosszan tartó mGluR5 antagonizmus gátolja a munka- és a referencia memória teljesítményét

Korábban kimutatták, hogy a 2-metil-6- (feniletinil) -piridin (MPEP, 1,8 µg, icv), a nem kompetitív mGluR5 antagonista [23] napi alkalmazása a memória teljesítményének romlását okozza a 8 karos radiális labirintusban [ 11], [18]. A hatások az MPEP-kezelés harmadik napján nyilvánvalóvá válnak, és a kezelés több napos folytatásakor még hangsúlyosabbá válnak. Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk a hippocampus működésének olyan változásait, amelyek a térbeli tanulási hiányokkal párhuzamosan nyilvánvalóvá válnak. Ezért annak megerősítésére, hogy az összehasonlító tanulási hiányok is tapasztalhatók voltak a jelen vizsgálatban használt állatoknál, három napig követtük a tanulási teljesítményt a radiális labirintusban, amely során az állatok MPEP-t (1,8 µg, icv, n = 9) vagy vivőanyagot kaptak. (n = 7) napi injekcióként 30 perccel az útvesztőben való edzés előtt (1. ábra). Korábbi megfigyeléseinkkel összhangban a referencia memória teljesítményének romlása a kezelés harmadik napjára nyilvánvalóvá vált (t-teszt: p 1. ábra. Az in vivo elhúzódó mGluR5 antagonizmus gátolja a munka és a referencia memória teljesítményét.

A, B. Az MPEP-t naponta kaptuk (1,8 µg, i.c.v.), 30 perccel a tanulási teljesítmény tesztelése előtt egy 8 karos radiális labirintusban, ahol csak 4 karot csalogattak étellel. A harmadik próbanapra mind a referencia (A), mind a munkamemória (B) jelentős károsodása látszott. Astericek statisztikai szignifikanciát jelölnek (p 2. ábra. A hosszan tartó mGluR5 antagonizmus csökkent mGluR1 expressziót eredményez a dentate gyrus-ban, a CA1 régióban azonban nem.

Az mGluR5, mGluR2/3 és NR2A expressziója változatlan marad mind a dentatus gyrusban, mind a CA1-ben. A, B. NR2A, mGluR5, mGluR1 és mGluR2/3 receptorok Western blot-analízise a dentate gyrus (A) és a CA1 régióban (B). Minden sáv a receptor expresszióját mutatja a kontroll és a kezelt csoportokból származó egyes állatokban. C, D. Az NR2A, mGluR5, mGluR1 és mGluR2/3 expressziójának denzitometriai elemzését a dentate gyrusban (C) és a CA1 (D) -ben mutatjuk be, akut vagy elhúzódó MPEP-kezelés után. Minden egyes értéket a ß-aktin expressziójával normalizáltunk. Az értékek hat egyedi meghatározás átlag ± S.E.M. Az Asterix statisztikailag szignifikáns különbséget jelöl (p 3. ábra. Az LTP károsodása az elhúzódó mGluR5 antagonizmus után következik be, amelyet részben az mGluR1 közvetít a dentate gyrusban.

A, B. A HFT a PS amplitúdó (A) és az fEPSP meredekség (B) robusztus LTP-jét indukálja három napig vivőanyaggal kezelt kontrollokban (nyitott körök). Az MPEP (kitöltött körök) hosszan tartó alkalmazása az utolsó injekció beadása után 30 perccel kiváltott LTP jelentős károsodását eredményezi, összehasonlítva a vivőanyaggal injektált kontrollokkal. Az MPG-vel (szürke gyémántokkal) végzett kezelést követően az mGluR1 potencírozása Ro67-4853-mal a késői LTP jelentős helyreállításához vezetett. Az adatok átlag ± S.E.M. C. Az analógok az fEPSP-válaszokat reprezentálják a HFT előtti kiindulási érték, a HFT utáni 5 perc és a HFT utáni 24 óra utáni időszakban, rögzítve (i) vivőanyaggal, (ii) MPEP-vel és (iii) MPEP-vel és Ro67-4853-mal. Mérlegsávok: függőleges 2 mV, vízszintes 5 ms.

Megállapításunk, miszerint az elhúzódó mGluR5 antagonizmus az mGluR1a szubregion-specifikus lefelé történő szabályozásához vezetett a dentate gyrus-ban, arra enged következtetni, hogy az LTP e régióban észlelhető jelentős károsodása legalább részben összefüggésbe hozható az mGluR1 csökkent funkciójával. Ennek a lehetőségnek a tisztázása érdekében az állatokat Ro67-4853-mal, pozitív alloszterikus mGluR1 modulátorral kezeltük [25]. Ez a vegyület önmagában nem aktiválja az mGluR1-receptort, de erősíti az mGluR1-aktiváció hatásait glutamáttal vagy más ortoszterikus agonistákkal [25] - [27].

Az Ro67-4853-at a vivőanyag vagy az MPEP utolsó (harmadik) injekciója után egyszer adtuk be (mindkettő n = 6), 15 perccel a HFT előtt. Az Ro67-4853 alkalmazása a bazális szinaptikus átvitel depressziójához vezetett, amely mindkét PS amplitúdó szempontjából szignifikáns (F1,28 = 12,85, p 4. ábra. Az in vivo elhúzódó mGluR5 antagonizmus fokozza a késői LTP-t in vitro a CA1 régióban.

A. Az MPEP-vel végzett hosszan tartó in vivo kezelés a késői LTP fokozódását eredményezi in vitro a CA1 régióban, összehasonlítva a kontrollokkal. B. Az analógok (i) pre-HFT-t, (ii) 5 perc múlva a HFT-t és (ii) 4 h-t a HFT után jelentik a megadott időpontokban a vivőanyaggal és MPEP-vel kezelt állatokban. Vezérléshez: függőleges sáv: 2 mV, vízszintes sáv: 5 ms. MPEP esetén: függőleges sáv: 1 mV, vízszintes sáv: 5 ms. Az adatok átlag ± S.E.M.

A dentátus gyrus és a CA1 régió közötti kommunikáció megszakadása megfordítja az MPEP-kezelés krónikus hatásait az LTP-re

Annak eldöntésére, hogy a dentate gyrus szinaptikus feldolgozásának változásai hozzájárulhattak-e ahhoz a megváltozott LTP-hez, amelyet az mGluR5 hosszan tartó antagonizmusán átesett állatok CA1 régiójában észleltünk, egy másik patkánycsoportban elváltoztattuk a CA3 régiót, és megismételtük az MPEP kísérleteket. . A kainát (0,5 µg 1 µl-ben) alkalmazása a CA3 régió kifejezett, de szelektív elváltozását eredményezte (5A. Ábra). A bazális szinaptikus transzmisszió a CA3-elváltozású állatokban stabil volt a felvételi periódus alatt, a vivőanyaggal (n = 5) vagy az MPEP-vel (1,8 µg, n = 4) történő hosszan tartó kezelést követően (5B. Ábra).

A. A patkány agyának keresztirányú szakasza kb. 3,1–3,3 mm a bregmától hátul, bemutatva a hippokampus CA3 régiójának elváltozását a kainát injekció eredményeként. B. Az MPEP napi három napos adagolása CA3-elváltozású patkányokban fokozott LTP-indukciót eredményezett a CA1-régióban, összehasonlítva a CA3-elváltozású állatokkal, amelyeket vivőanyaggal kezeltek. Az adatok átlag ± S.E.M. C. Az analógok (i) pre-HFT, (ii) 5 perccel a HFT után és (iii) 24 órával a HFT után reprezentálják a CA3-elváltozású állatokban hordozóval vagy MPEP-vel végzett kezelést követően. Függőleges sáv: 2 mV, vízszintes sáv: 5 ms.

Nem találtunk különbséget a CA1 LTP késői fázisában a CA3-elváltozású állatok két csoportja között, amelyeket ismételten kezeltek vivőanyaggal vagy MPEP-vel (5B. Ábra). Érdekes módon az LTP indukciós fázisa jelentősen fokozódott az elhúzódó mGluR5 antagonizmus után, összehasonlítva a vivőanyaggal kezelt patkányokkal (F1, 151 = 14,75, p. 6. ábra. Az mGluR5 antagonistával kezelt állatokban megváltozott a hippocampus hálózat aktivitása.

A, B. Relatív theta (5–10 Hz, A) és gamma (30–100 Hz, B) teljesítmény a dentate gyrus-ban elhúzódó kezelést hordozóval (nyitott körök), önmagában MPEP-vel (kitöltött négyzetek) vagy MPEP-t Ro67-4853-mal (kitöltött háromszögek). Megjegyezzük, hogy az mGluR1 Ro67-4853-mal történő potencírozása részben megakadályozta a gamma-oszcillációk elnyomását, amelyet a hosszan tartó MPEP-kezelés okozott. Az értékek öt 4-s korszak átlagolt adatait reprezentálják az egyes időpontokban a teszt-impulzusok után, és az injektálás előtti értékekre normalizálták (átlag ± S.E.M.). A görbeillesztéseket a HFT utáni időpontok távolsággal súlyozott legkisebb négyzetei alapján ábrázoljuk.

A hosszan tartó mGluR5 antagonizmus hatásának elemzése a relatív theta teljesítményre a HFT utáni időszakban feltárta jelentőségét (F1 855 = 9,28, p, ahol 160 megegyezik a labirintus hosszával a kar hegyétől az ellenkező kar csúcsáig.

Viselkedési adatok elemzése.

A három próba nap munkamennyiségét és referencia memória hibáit elemeztük egyenként, és a kísérleti nap átlagaként fejeztük ki. A statisztikai szignifikancia meghatározásához ANOVA-t használtunk. Statisztikailag szignifikánsnak értelmezett valószínűségi szint a laboratóriumi állatok gondozására vonatkozó 1986-os (86/609/EGK) és a helyi etikai bizottságok (berlini szenátus vagy Bezirksamt Arnsberg) jóváhagyását követően.

Kainate elváltozások

Azokban az állatokban, akiknél a CA3 régió kétoldali károsodása következett be kaininsavval (Biotrend, Németország), az elektróda beültetésekor további fúrólyukakat (a bregma mögé 3,5 mm-re, a középvonaltól 3,2 mm-re) tettek, a középvonal mindkét oldalán. Az elektróda beültetése előtt egy kanilt, amelyet polietilén csövön keresztül rögzítettek egy Hamilton fecskendőhöz, leeresztették a CA3 régióba (3,0–3,3 mm mélység), és kaininsavat (0,5 µg oldva 1 µl 0,9% NaCl injekciós térfogatban) injektáltunk. 10 percen keresztül. Harminc perccel később a kanült eltávolították, a fúrólyukat cianoakrilát ragasztóval és fogcementtel lezárták, és az injekciót ugyanúgy megismételték a szemközti féltekén. Ebben az esetben azonban a fúrólyukat nem injektálták az injekció beadása után, hogy lehetővé tegyék az elektródák későbbi beültetését. Ezután az eljárásokat a fent leírt módon követtük. A kísérletek befejezését követően post mortem szövettani elemzést végeztek annak biztosítására, hogy a CA3 régió pontos elváltozása bekövetkezett. Azokat az állatokat, akik spontán epilepsziás rohamokat fejeztek ki a gyógyulási időszak után, kizártuk a vizsgálatból.

A kiváltott potenciál mérése

A válaszokat alacsony (teszt-impulzus) frekvencián (0,025 Hz, 0,2 ms inger időtartama, 16 kHz mintavételezési frekvencia) stimulálva hívtuk elő, az előzőekben leírtak szerint [3], [68]. A dentátus gyrusban az LTP-t 200 Hz-es HFT-vel indukálták (10 törés 15 ingerrel, 0,2 ms inger időtartama, 10 s interburst intervallum), olyan inger amplitúdóval, amely megegyezett a felvételeknél használtal. A CA1 régióban az LTP-t 100 Hz-es HFT-vel (10 10 inger tört, 0,1 ms inger időtartama, 10 s interburst intervallum) és egy olyan inger amplitúdóval indukálták, amely az input-output elemzés alapján meghatározott maximum 20% -át tette ki.

In vivo kezelés az in vitro kísérletek előtt

Érzéstelenítés alatt kanülöt ültettek be hét-nyolc hetes hím patkányok laterális agykamrájába. A műtét utáni 7–10 napos felépülés után MPEP-t adtunk be (1,8 µg 5 µl-ben) háromszor, 24 órás időközönként (a fent leírt eljárások). További 24 órával később hippocampiumokat boncoltunk in vitro elektrofiziológiai elemzés céljából.