Παράγοντες εξειδίκευσης του ενδογενούς νευρωνικού δικτύου του ιπποκάμπου επίμυος

Abstract

The hippocampus is a functionally heterogeneous structure with the cognitive and emotional signal processing ascribed to the dorsal (DH) and the ventral hippocampus (VH) respectively. However, the underlying mechanisms are poorly understood. In the present study, which is consisted of three parts, we used field excitatory postsynaptic potentials (fEPSPs) from transverse rat hippocampal slices, which were maintained in a recording chamber, in order to determine which proteins might play a role in dorsoventral diversification. In the first part of this study we examined the short-term synaptic plasticity, which plays fundamental roles in information processing and may be importantly involved in diversifying the properties of local neuronal network along the hippocampus long axis. Therefore, we aimed to examine the properties of the CA1 synapses along the entire dorsoventral axis of the rat hippocampus and a frequency stimulation paradigm. Applying a ten-pulse stimulus train at frequencies from 0.1 to 100 Hz to the Schaffer collaterals we found a gradually diversified pattern of frequency-dependent synaptic effects along the dorsoventral hippocampus axis. The first conditioned response was facilitated along the whole hippocampus for stimulus frequencies 10-40 Hz. However, steady-state responses or averaged responses generally ranged from maximum synaptic facilitation in the most dorsal segment of the hippocampus to maximum synaptic depression in the most ventral hippocampus. In particular, dorsal synapses facilitated for stimulus frequency up to 50 Hz while they depressed at higher frequencies (75-100 Hz). Facilitation at dorsal synapses was maximal at stimulus frequency of 20 Hz. On the contrary, the most ventral synapses showed depression regardless of the stimulus frequency, only displaying a transient facilitation at the beginning of 10-50 Hz stimulation. Importantly, the synapses in the medial hippocampus displayed a transitory behavior. Finally, as a whole the hippocampal synapses maximally facilitated at 20 Hz and increasingly depressed at 50-100 Hz. The aforementioned results indicate that the short-term synaptic dynamics change gradually along the hippocampal long axis conveying distinct properties of information processing to successive segments of the structure crucially supporting functional segregation along the dorsoventral axis of the hippocampus. In the second part of this study we analysed the effects of β adrenergic receptors activation and blockade in long term potentiation, induced after theta burst stimulation and high 5 frequency stimulation in dorsal and ventral pole of the hippocampus. Noradrenaline is released during emotional arousal in the hippocampus and through activation of β adrenergic receptors (β-AR) modulates synaptic plasticity and memory consolidation. We demonstrate that long-term potentiation (LTP) induced either by theta-burst stimulation (TBS) that mimics a physiological firing pattern of hippocampal neurons or by high-frequency stimulation is remarkably more sensitive to β-AR activation in VH than in DH. Thus, pairing of subthreshold primed burst stimulation with activation of β-AR agonist isoproterenol (1 μM) resulted in a reliable induction of NMDA receptor-dependent LTP in the VH without affecting LTP in the DH. Activation of β-AR by isoproterenol during intense TBS increased the magnitude of LTP in both hippocampal segments but facilitated voltage-gated calcium channel-dependent LTP in VH only. Endogenous β-AR activation contributed to the stabilization and increased the magnitude of LTP in VH but not DH as demonstrated by the effects of the β-AR antagonist propranolol (10 μM). Exogenous (but not endogenous) β-AR activation strongly increased TBS-induced facilitation of postsynaptic excitability in VH. In DH, isoproterenol only produced a moderate and GABAergic inhibition-dependent enhancement in the facilitation of synaptic burst responses. Paired-pulse facilitation did not change with LTP at any experimental condition, suggesting that expression of LTP does not involve presynaptic mechanisms. These findings suggest that β-AR may act as a switch that selectively promotes synaptic plasticity in the VH through multiple mechanisms and provide thus a first clue to mechanisms that underlie VH involvement in emotionality. In the third part of this study we analysed the effects of dopaminergic receptors D1/D5 in long term potentiation in dorsal and ventral pole of the hippocampus, since dopamine modulates synaptic plasticity and dopaminergic innervation appears to be disproportionally segregated along the hippocampal longitudinal (dorsoventral) axis with unknown consequences for synaptic plasticity. In this part of the study we examined the actions of endogenously released dopamine and the effects of exogenous D1/D5 dopamine receptor agonists on theta-burst stimulation-induced long-term potentiation (LTP) of field excitatory synaptic potential (fEPSP) at Schaffer collateral-CA1 synapses in slices from dorsal (DH) and ventral hippocampus (VH). Furthermore, we quantified D1 receptor mRNA and protein expression levels in DH and VH. We found that blockade of D1/D5 receptors by SCH 23390 (20 μM) significantly reduced the magnitude of LTP in both DH and VH similarly suggesting that endogenously released dopamine exert a homogeneous modulation of LTP along the hippocampal long axis. Moderate to highconcentrations of the selective partial D1/D5 receptor agonist SKF 38393 (50-100 μM) did not significantly change LTP in either hippocampal segment. However, the full D1 receptor selective agonist SKF 82958 (10 μM) significantly enhanced LTP in VH but not DH. Furthermore, the expression of D1 receptor mRNA and protein was considerably higher in VH compared to DH. These results suggest that the dynamic range of D1/D5 receptor-mediated dopamine effects on LTP may be higher in VH than DH and that VH may be specialized to acquire information about behaviorally relevant strong stimuli signaled by the dopamine system.

Ο ιππόκαμπος αποτελεί εγκεφαλική δομή που εμπλέκεται σημαντικά σε μνημονικές διεργασίες, με λειτουργική ετερογένεια κατά μήκος του ραχιαιοκοιλιακού άξονα. Ο ραχιαίος ιππόκαμπος είναι υπεύθυνος για τη χωρική πλοήγηση ενώ ο κοιλιακός ευθύνεται για την επεξεργασία συγκινησιακών πληροφοριών μέσω μηχανισμών που ακόμα δεν έχουν διευκρινιστεί. Στην παρούσα διατριβή, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μελέτες, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της in vitro ηλεκτροφυσιολογίας σε λεπτές τομές ιπποκάμπου με καταγραφή του μετασυναπτικού διεγερτικού δυναμικού στις συνάψεις της CA1 περιοχής του ιπποκάμπου, ώστε να προσδιορίσουμε παράγοντες που ευθύνονται για τη ραχιαιοκοιλιακή διαφοροποίηση. Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήσαμε τις ιδιότητες της βραχύχρονης συναπτικής πλαστικότητας των συνάψεων κατά μήκος ολόκληρου του ραχιαιοκοιλιακού άξονα του ιπποκάμπου, χρησιμοποιώντας πρωτόκολλο ερεθισμού των προσυναπτικών ινών του Schaffer, που αποτελούταν από δέκα παλμούς που επιδίδονταν σε διαφορετικά διαπαλμικά διαστήματα. Το αποτέλεσμα από την επίδοση παλμών σε συχνότητες από 0,1-100 Hz ήταν σταδιακή αλλαγή των μετασυναπτικών απαντήσεων από συναπτική διευκόλυνση στο ραχιαίο πόλο σε συναπτική καταστολή στον κοιλιακό πόλο του ιπποκάμπου. Επίσης ο δεύτερος παλμός παρουσίαζε διευκόλυνση σε όλο το μήκος του ιπποκάμπου για τις συχνότητες 1-40 Hz. Πιο συγκεκριμένα οι συνάψεις από το ραχιαίο ιππόκαμπο παρουσίασαν διευκόλυνση σε συχνοτικούς ερεθισμούς μέχρι και τα 50 Hz και καταστολή στα 75-100 Hz, με μέγιστη διευκόλυνση στα 20Hz. Αντίθετα οι συνάψεις του κοιλιακού ιππόκαμπου παρουσίασαν μετασυναπτική καταστολή σε όλο το φάσμα συχνοτικών ερεθισμών που χρησιμοποιήθηκαν. Οι συνάψεις από τον ενδιάμεσο ιππόκαμπο εμφάνισαν ενδιάμεση μετασυναπτική συμπεριφορά σε σχέση με τον ραχιαίο και τον κοιλιακό ιππόκαμπο. Συμπερασματικά η βραχύχρονη πλαστικότητα εμφανίζει σταδιακή μεταβολή κατά μήκος του ραχιαιοκοιλιακού άξονα του ιπποκάμπου, γεγονός το οποίο στηρίζει περαιτέρω τη λειτουργική διαφοροποίηση του ραχιαίου από τον κοιλιακό ιππόκαμπο στην επεξεργασία της πληροφορίας. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η μακρόχρονη συναπτική πλαστικότητα στο ραχιαίο και κοιλιακό ιππόκαμπο, έπειτα από επίδοση ερεθισμών στο πρότυπο του θήτα 2 ρυθμού αλλά και σε υψίσυχνο ερεθισμό σε συνθήκες ενεργοποίησης και αποκλεισμού των β αδρενεργικών υποδοχέων (β-AR). Οι β-AR ενεργοποιούνται κάτω από καταστάσεις συγκινησιακής φόρτισης όπου απελευθερώνεται νοραδρεναλίνη στον ιππόκαμπο τροποποιώντας τη συναπτική πλαστικότητα και την παγίωση της μνήμης. Η μακρόχρονη συναπτική ενδυνάμωση επηρεάζεται περισσότερο στον κοιλιακό ιππόκαμπο από την ενεργοποίηση των β-AR, σε σχέση με τον ραχιαίο. Πιο συγκεκριμένα η ενεργοποίηση των β-AR από τον αγωνιστή ισοπροτερενόλη μειώνει το κατώφλιο επαγωγής μακρόχρονης συναπτικής ενδυνάμωσης μόνο στον κοιλιακό ιππόκαμπο, μέσω αύξησης της μετασυναπτικής διεγερσιμότητας και ενεργοποίησης των καναλιών ασβεστίου L-VDCC. Η μείωση του κατωφλίου στον κοιλιακό ιππόκαμπο δεν περιλαμβάνει αλλαγές σε προσυναπτικούς μηχανισμούς, ούτε στην αναστολή. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι β-AR δρουν ως διακόπτης που επάγει τη συναπτική πλαστικότητα στον κοιλιακό ιππόκαμπο και παρέχει ένα στοιχείο στους μηχανισμούς που υπόκεινται την εμπλοκή του κοιλιακού ιππόκαμπου σε συγκινησιακές καταστάσεις. Στο τρίτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η δράση των ντοπαμινεργικών υποδοχέων στη μακρόχρονη συναπτική ενδυνάμωση στον ραχιαίο και κοιλιακό ιππόκαμπο, καθώς η ντοπαμίνη τροποποιεί τη συναπτική πλαστικότητα και η ντοπαμινεργική εννεύρωση είναι διαφορετικά κατανεμημένη μεταξύ των δύο πόλων του ιπποκάμπου. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι η ενδογενής ντοπαμίνη, που απελευθερώνεται κατά την επίδοση παλμών σε πρότυπο θήτα ρυθμού για την επαγωγή μακρόχρονης συναπτικής ενδυνάμωσης, παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στο ραχιαίο όσο και στον κοιλιακό ιππόκαμπο. Η ενεργοποίηση των D1/D5 ντοπαμινεργικών μέσω του αγωνιστή SKF38393 σε χαμηλή, μέτρια και αυξημένη συγκέντρωση δεν είχε κάποια επίδραση στην επαγωγή της μακρόχρονης συναπτικής ενδυνάμωσης. Αντίθετα ο ειδικός αγωνιστής των D1 υποδοχέων SKF82958 αύξησε την επαγόμενη μακρόχρονη συναπτική ενδυνάμωση μόνο στον κοιλιακό ιππόκαμπο, αποτέλεσμα το οποίο συνάδει με την αυξημένη έκφραση του D1 υποδοχέα στον κοιλιακό ιππόκαμπο τόσο σε επίπεδο mRNA αλλά και σε επίπεδο πρωτεΐνης. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η δράση της ντοπαμίνης είναι μεγαλύτερη στον κοιλιακό ιππόκαμπο, ώστε να αποκρίνεται σε πληροφορίες που επιδίδονται από ισχυρά ερεθίσματα του περιβάλλοντος που σηματοδοτούνται από το ντοπαμινεργικό σύστημα.