In vitro συγκριτικές μελέτες της πλαστικότητας της συναπτικής διαβίβασης και της δικτυακής νευρωνικής δραστηριότητας μεταξύ διαφραγματικού και κροταφικού ιπποκάμπου

Abstract

In hippocampal slices from adult Wistar rats evoked and spontaneous field potentials were recorded from the CA1 region. Evoked potentials comprised the presynaptic fiber volley (Fv), the excitatory postsynaptic potential (fEPSP) and the population spike (PS). They were elicited by delivering electrical pulses (single- and/or paired-pulses) at Schaffer collaterals and recorded from the CA1 stratum radiatum (fEPSP, Fv,) and stratum pyramidale (PS). fEPSP was quantified by the maximum slope of its rising phase and the area under the waveform. Fv was quantified by its amplitude measured as the difference between the baseline and the peak negative voltage. PS was quantified by its amplitude measured as the length of the projection of the minimum peak on the line connecting the two maxima peaks of the PS waveform. Spontaneous activity comprised the activity of sharp wave-ripples (SWRs), the complex spike bursting from pyramidal cells and multiunit activity from pyramidal cells and interneurons.In the first study we show that pharmacological manipulation of the three receptors, i.e. NMDAR, mGluR5 and A2AR, has remarkably different actions on synaptic transmission, postsynaptic excitability and paired-pulse inhibition between DH and VH. In addition it is shown that a considerable portion of these actions require the activity of CB1 cannabinoid receptors. More specifically the main findings of the study are: a) the lower suppressive effect on synaptic transmission but higher enhancing effects on neuronal excitability of NMDAR activation in DH compared with VH b) the strong synergistic effects of mGluR5 and NMDAR via NR2B (Tyr1472) phosphorylation observed in DH and c) the modulatory action of A2ARs on the NMDAR-mGluR5 synergy in DH but not VH.It could be that, under conditions of intense neuronal activity, the inherently higher excitability of the VH compared with DH has been homeostatically compensated by an adaptive constrain in the contribution of some excitability-enhancing mechanisms such as mGluR5 and A2AR. We propose that at states of highly activated network, the local network activity in DH is dynamically tuned by the modulatory actions of interacting A2AR and mGluR5 on the NMDAR propably via NR2B (Tyr1472) phosphorylation, additionally with the intervening role of CB1Rs. On the other hand, the involvement of NMDAR in the functioning of VH is more vaguely and stereotypically adjusted. It is expected that this will have important implications for the information processing performed by DH and VH.In the second study using a wide range of theta frequency-based stimulation protocols we aimed to determine the sensitivity and the extent of DH and VH synapses to undergo LTP. We found that the DH compared with the VH display lower thresholds for short-lasting and long-lasting NMDAR-dependent LTP as well as NMDAR-independent LTP with the important involvement of GABABRs. Besides, under relatively intense afferent induction activity, the synapses of the two hippocampal poles recruit L-VDCC and mGluR5 in a similar fashion. Detailed analysis of the postsynaptic responses provides clues to mechanisms that contribute to dorsoventral differences in LTP induction. In detail the main findings of this study are as follows: a) Theta frequency network activity reliably induces S-LTP and L-LTP of similar size in DH and VH; b) the induction thresholds for both LTPs are lower in DH than in VH; in addition, the VH but not the DH presents different induction thresholds between S-LTP and L-LTP; c) the DH compared with the VH presents much higher degree of facilitation of postsynaptic responses and higher activation of GABABRs during theta frequency stimulation that can explain the lower thresholds for NMDAR-dependent and NMDAR-independent LTP in DH vs VH d) L-VDCCs and mGluR5 participate to the induction of compound LTP in both hippocampal segments similarly. The results of this study demonstrate that under conditions of theta frequency stimulation that closely resembles the physiological activity pattern of theta rhythm, the local CA1 synaptic circuitry is capable to undergo S-LTP and L-LTP of similar size in both DH and VH that lasts several hours. Thus, under certain conditions of network activity the microcircuits of the two hippocampal poles can similarly sustain lasting changes of synaptic plasticity. Importantly, however, the induction thresholds for both LTPs are lower in the dorsal than in the ventral segment of the hippocampus. Nevertheless, VH can more accurately discriminate between inputs of different strength. Under long stimulation patterns the contribution of L-VDCCs and mGluR5 is similar between the two poles, thought DH displays a higher sensitivity to show L-VDCC-LTP when NMDARs are blocked. The mechanisms that presumably underlie the dorsoventral differences include the activation of GABABRs, the enhancement in synaptic facilitation and the strong increase in postsynaptic firing that occur during TBS. We hypothesize that the higher sensitivity of DH to show LTP with the weakest type of theta frequency stimulation and the ability of VH to discriminately respond to weak and strong inputs might point to a higher implication of DH to single event memory and of VH to working memory respectively. We conclude that the differences in LTP along the elongated network of the hippocampus represent adaptive specializations that assist local circuitry to process information in the way that it adaptively achieves its particular functional targets. We assume that accumulating knowledge about the similarities and differences across the entire spectrum of synaptic plasticity phenomena between DH and VH will help us to understand the large scale functional diversification observed along the hippocampus.In the third study we aimed to characterize the activity of SWRs between adult and old rat slices and to examine the effects of NMDARs and L-vdcc on this activity. We found that hippocampal circuit in aged rats displayed impaired ripples oscillation and increased propensity to organize long sequences of SWRs. The reduced frequency of ripples (i.e. increased intra-ripple interval) in the slices of aged rats occurred in parallel with increased inter-spike interval in complex spike bursts implying that changes in the pyramidal cell firing might contribute to the altered network oscillation. Furthermore, the involvement of NMDARs on the generation of SWRs’ sequences was reduced in the slices of aged rats.The altered characteristics of principal cells’ bursting activity (complex spikes activity) might contribute to the impaired ripples in aging. We propose that the decline in the ripple oscillation observed during aging is accompanied by changes in the pattern of generation of SWR events resulting from the action of compensatory mechanisms in the old hippocampus in order to maintain an efficient behavioural outcome.

Στη μελέτη αυτή, χρησιμοποιώντας την μέθοδο της in vitro διατήρησης λεπτών τομών εγκεφάλου και ηλεκτροφυσιολογικών τεχνικών σε τομές ιπποκάμπου διερευνήσαμε τους μηχανισμούς που συμμετέχουν στην ρύθμιση της διεγερτικής συναπτικής διαβίβασης και της μακρόχρονης πλαστικότητας μεταξύ διαφραγματικού και κροταφικού ιπποκάμπου καθώς επίσης και τις μεταβολές που προκαλούνται κατά το γήρας στην ενδοιπποκάμπεια δικτυακή δραστηριότητα των οξύαιχμων κυμάτων-ριπιδισμών, που παίζει κυρίαρχο ρόλο στην διεργασία της μνημονικής παγίωσης. Τα τελικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής είναι τα εξής: 1.Η εγγενής υψηλότερη διεγερσιμότητα του κοιλιακού ιπποκάμπου σε σύγκριση με τον ραχιαίο φαίνεται να αντισταθμίζεται ομοιοστατικά από έναν προσαρμοστικό περιορισμό στην συνεισφορά κάποιων μηχανισμών που ενισχύουν την διεγερσιμότητα όπως είναι οι υποδοχείς mGlu5 και A2A. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι σε καταστάσεις υψηλής δραστηριότητας του δικτύου, η δραστηριότητα στον ραχιαίο ιππόκαμπο συντονίζεται δυναμικά από τις τροποποιητικές δράσεις των αλληλεπιδρώντων A2ARs και mGluR5 στους NMDARs, πιθανόν μέσω της NR2B (Tyr1472) φωσφορυλίωσης, καθώς επίσης και με τον παρεμβατικό ρόλο των CB1Rs. Αντιθέτως, η συμμετοχή των NMDARs στην λειτουργία του κοιλιακού ιπποκάμπου είναι πιο στερεοτυπικά προσαρμοσμένη. Αυτό αναμένεται να έχει πολύ σημαντικές επιπτώσεις για την επεξεργασία της πληροφορίας που εκτελείται από τα δύο ιπποκάμπεια τμήματα. 2.Κρίνοντας τα αποτελέσματα της δεύτερης μελέτης πιστεύουμε ότι η υψηλότερη ευαισθησία του DH να παρουσιάζει LTP με ασθενέστερο ερεθισμό ΄΄θ΄΄ συχνότητας και η ικανότητα του VH να αποκρίνεται με διαφορετική ευαισθησία σε ασθενείς και ισχυρές εισόδους ίσως καταδεικνύουν την υψηλότερη εμπλοκή του DH στην σύλληψη μοναδιαίων βιωματικών συμβάντων και την μεγαλύτερη εμπλοκή του VH στην ενεργό μνήμη αντίστοιχα. Συμπεραίνουμε ότι οι διαφορές στο LTP κατά μήκος του ιπποκάμπου αντιπροσωπεύουν προσαρμοστικές εξειδικεύσεις που βοηθούν το τοπικό κύκλωμα να επεξεργάζεται την πληροφορία με τρόπο που να επιτυγχάνει τους λειτουργικούς του στόχους.3.Τα ευρήματα της τρίτης μελέτης μας οδηγούν στο να προτείνουμε ότι η μείωση στην ριπιδική ταλάντωση που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της γήρανσης συνοδεύεται με μεταβολές στο πρότυπο παραγωγής SWR γεγονότων, μεταβολές που πιθανόν προκαλούνται από την δράση αντισταθμιστικών μηχανισμών στον γηράσκοντα ιππόκαμπο έτσι ώστε να διατηρηθεί ένα αποδοτικό συμπεριφορικό αποτέλεσμα.