Extracellular matrix regulation of GABA-ergic interneurons and schizophrenia

Abstract

The extracellular matrix (ECM) of the brain plays a crucial role in regulating healthy neuronal development including neuronal migration, maturation and synaptic transmission. Those mechanisms affect higher cortical functions such as cognition, attendance, memory and language and their alteration are associated with numerous brain diseases including schizophrenia. Schizophrenia affects excitatory-inhibitory balance, and gamma oscillation in the brain as well as the special form of ECM - perineuronal net (PNN), which enwraps cell bodies of a subset of GABA-ergic interneurons. Although deficits in both ECM and GABA-ergic interneurons are well documented in schizophrenia, the mechanisms leading to those abnormalities are still ambiguous. Investigating those mechanisms in schizophrenia patients is challenging due to the limited amount of postmortem brain samples, various medication histories and nonhomogeneous background of the disease. Therefore there is a strong need for animal models of schizophrenia. To this aim, I examined ECM alterations and parvalbumin-expressing (PV+) GABA-ergic interneurons in two animal models. First, I used the well-established model of rats sub-chronic treated with ketamine. Administration of the glutamate N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) antagonist ketamine mimics the deficits in excitatory input onto PV+ interneurons reported in schizophrenia. The immunohistochemistry analysis of the model shows that the sub-chronic ketamine treatment induces a significant reduction of parvalbumin expression in interneurons and a loss of PNN-coated cells in the medial prefrontal cortex (mPFC) but not in the hippocampal CA1 area. Interestingly sub-chronic treatment with antipsychotics haloperidol and risperidone shows no effects on PNN density in the mPFC. Additionally, the analysis of the CS56+ glia-related form of ECM shows no effect of ketamine treatment in the density of the aggregates in mPFC however it induces upregulation of total CS56+ ECM. The sub-chronic treatment with ketamine also shows no effect on human natural killer 1 carbohydrate in mPFC. In the second part of the thesis, I developed a mouse model injected with adeno-associated virus encoding shRNA against the hyaluronan and proteoglycan link protein 1 (AAV_HAPLN1_shRNA) to PFC. The AAV_HAPLN1_shRNA treated mice show normal PPI. The immunohistochemistry analysis reveals no effect of AAV_HAPLN1_shRNA treatment on the density of excitatory synapses and surrounding brevican in the neuropil. However, perisomatic analysis of excitatory CAMK2CaMK2 positive cells shows the decreased density of inhibitory puncta after the treatment. Similarly, perisomatic analysis of PV interneurons shows the reduced density of inhibitory puncta after treatment. Altogether those findings suggest that the ketamine-treated rat model of schizophrenia can be used to investigate both PV interneurons and ECM deficits in this disorder. Additionally, the acute HAPLN1 knockdown mice model results imply that the acute local deficits of HAPLN1 protein and followed ECM alteration may lead to inhibitory input deficits on both excitatory and inhibitory cells.

Die extrazelluläre Matrix (EZM, engl. ECM) des Gehirns spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der gesunden neuronalen Entwicklung sowie der neuronalen Migration, Reifung und synaptische Übertragung. Diese Mechanismen wirken sich auf höhere kortikale Funktionen wie Kognition, Aufmerksamkeit, Gedächtnis und Sprache aus. Ihre Veränderung wird mit zahlreichen Hirnerkrankungen einschließlich Schizophrenie in Verbindung gebracht. Schizophrenie beeinträchtigt das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung und die Gamma-Oszillation im Gehirn sowie die spezielle Form der EZM - das perineuronale Netz (PNN), das die Zellkörper der GABA-ergen Interneuronen umhüllt. Obwohl Defizite sowohl der ECM als auch der GABA-ergen Interneuronen bei Schizophrenie gut dokumentiert sind, sind die Mechanismen, die zu diesen Anomalien führen, noch unklar. Die Untersuchung dieser Mechanismen bei Schizophrenie-Patienten ist aufgrund der begrenzten Anzahl von postmortalen Hirnproben, der unterschiedlichen Medikation und des inhomogenen Krankheitsverlaufs eine Herausforderung. Daher besteht ein großer Bedarf an Tiermodellen für Schizophrenie. Zu diesem Zweck habe ich ECM-Veränderungen und Parvalbumin-exprimierende (PV+) GABA-erge Interneuronen in zwei Tiermodellen untersucht. Zunächst verwendete ich das gut etablierte, mit Ketamin subchronisch behandelte Rattenmodell. Durch die Verwendung von Ketamin, eines Glutamat-N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor (NMDAR)-Antagonisten, wird der bei der Schizophrenie berichtete Defizit in dem erregenden Input auf PV+-Interneuronen imitiert. Die immunhistochemische Analyse des Modells zeigt, dass die subchronische Behandlung mit Ketamin eine signifikante Verringerung der Expression des Parvalbumins in Interneuronen und eine Verringerung der PNN-umhüllte Zellen im medialen präfrontalen Kortex (mPFC) bewirkt. Jedoch nicht aber im CA1-Bereich des Hippocampus. Interessanterweise zeigt die subchronische Behandlung mit den Antipsychotika Haloperidol und Risperidon keine Auswirkungen auf die PNN-Dichte im mPFC. Darüber hinaus zeigt die Analyse der CS56+ Glia-verwandten Form der ECM keine Auswirkungen der Ketamin-Behandlung auf die Dichte der Aggregate im mPFC, führt jedoch zu einer Hochregulierung der gesamten CS56+ ECM. Die subchronische Behandlung mit Ketamin zeigt auch keine Wirkung auf das menschliche natürliche Killer-1-Kohlenhydrat im mPFC. Im zweiten Teil der Arbeit entwickelte ich ein Mausemodell, bei dem adeno-assoziierte Viren, welche die shRNA des Hyaluronan- und Proteoglykan-Link-Proteins 1 (AAV_HAPLN1_shRNA) beinhalten, in das PFC injiziert wurden. Die mit AAV_HAPLN1_shRNA behandelten Mäuse zeigen eine normale Präpulsinhibition (PPI). Die immunhistochemische Analyse zeigt keine Auswirkung der AAV_HAPLN1_shRNA-Behandlung auf die Dichte der exzitatorischen Puncta, die Dichte der exzitatorischen Synapsen und das umgebende Brevikan im Neuropil. Die perisomatische Analyse der exzitatorischen CAMK2CaMK2-positiven Zellen zeigt jedoch, dass die Dichte der inhibitorischen Puncta nach der Behandlung abnahm. Ebenso zeigt die perisomatische Analyse von PV-Interneuronen eine verringerte Dichte von hemmenden Puncta nach der Behandlung. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass das mit Ketamin behandelte Rattenmodell der Schizophrenie verwendet werden kann, um sowohl PV-Interneuronen als auch ECM-Defizite bei dieser Störung zu untersuchen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse des akuten HAPLN1-Knockdown-Modells bei Mäusen darauf hin, dass die akuten lokalen Defizite des HAPLN1-Proteins und die anschließende Veränderung der ECM zu Defiziten bei der hemmenden Wirkung sowohl auf erregende als auch auf hemmende Zellen führen können.