Regulation of low repeat spike timing-dependent LTP in CA1 of mouse hippocampal slices by GABAergic inhibition and Dopamine signaling

Abstract

The hippocampus and its associated medial temporal lobe structures evolved as a complex micro- network of excitatory and inhibitory synapses to process learning and memory relevant information. The longitudinal axis of the hippocampus is divided into dorsal (DH), intermediate (IH), and ventral (VH) parts. Each of these longitudinal axis heterogeneous expression of GABAergic, glutamatergic, and neuromodulatory receptors, creating diverse and partially exclusive synaptic regulatory mechanisms. Consequently, synaptic plasticity could be differentially modulated by various excitatory, inhibitory, and neuromodulatory interactions along this longitudinal axis of the hippocampus. Whereas conventional long-term potentiation (LTP) induced by high-frequency stimulation and long-term depression (LTD) induced by low-frequency stimulation are considered cell population models of memory formation, spike timing-dependent plasticity (STDP) allows investigation of timing-dependent t-LTP and t-LTD at the single cell level. While the systematic investigation of physiologically relevant low repeat STDP paradigms is of utmost importance to explain learning mechanisms in vivo, very few previous studies have investigated the contribution of the distinct GABAergic, glutamatergic, and neuromodulatory mechanisms on activity-dependent plasticity measured at single Schaffer-collateral (SC)-CA1 synapses along the longitudinal axis of the hippocampus. Using low repeat (6x) STDP at SC-CA1 synapses by pairing one presynaptic action potential (AP) with either one postsynaptic AP (canonical 1:1 t-LTP) or with a burst of 4 APs (burst 1:4 t-LTP) this dissertation investigated how these low repeat STDP protocols are mediated by distinct presynaptic (6x 1:1) and postsynaptic (6x 1:4) expression mechanisms. We then explain the role of distinct sources of postsynaptic Ca2+ elevation during induction of the two forms of t-LTP. Whereas NMDA receptors and L-type Ca2+ channels are crucial for 6x 1:1 t-LTP induction in the intermediate (IH) region, the 6x 1:4 paradigm depends mainly on the activation of metabotropic glutamate receptors (mGluR1 and mGluR5). Moreover, this dissertation shows that postsynaptic insertion of GluA2-lacking AMPARs into the cell membrane is the main step for both paradigms to induce synaptic changes. In addition, the release of Ca2+ from internal stores mediated by mGluR1/5- dependent activation of IP3 and ryanodine receptors are triggering the induction of both 6x 1:1 and 6x 1:4 t-LTP. On the other hand, both dorsal (DH), and ventral hippocampus (VH) depend mainly on L-type Ca2+ channels to provide an external Ca2+ source during 6x 1:4 t-LTP induction. Blockade of dopamine (DA) receptor (DR) signaling revealed that t-LTP induction by the 6x 1:1 protocol required co-application of D1- and D2R antagonists in DH and VH, whereas in IH, t-LTP induced by both protocols depended on D1 and/or D2R signaling. In contrast, the 6x 1:4 protocol in VH was blocked by either D1 or D2R antagonism but remained unaffected in DH. These results revealed a gradient of dopaminergic regulation of STDP that depended on the paradigm used to induce t-LTP (i.e. 6x 1:1 vs. 6x 1:4) along the longitudinal axis of the hippocampus, and was possibly determined by the gradient in D1 and D2R expression levels (VH>IH>DH). Optogenetic silencing of DAergic inputs was ideally suited to address the role of endogenously released DA for low repeat t-LTP. Our results suggest that a sufficiently elevated ambient DA levels are crucial shortly before and during the induction of 6x 1:1 and 6x 1:4 t-LTP paradigms, whereas inhibition of DA release at later time points did not interfere with 6x 1:1 t-LTP. GABAergic regulation of t-LTP induction under either intact GABAergic inhibition (physiological condition) or under fully blocked inhibition using co-applied GABAAR and GABABR blockers showed that t-LTP is modulated differently along the longitudinal axis of the hippocampus and depends on the t-LTP stimulation pattern. We found a complex association of excitatory and inhibitory responses depending on stimulation protocols (canonical or burst) and studied regions (DH or VH). While the 6x 1:1 protocol lost its dependency on GABAergic signaling to induce robust t-LTP from DH to VH, the 6x 1:4 protocol mainly depended on active GABABR signaling during t-LTP induction. Furthermore, both neuronal excitability and synaptic transmission of SC-CA1 synapses depended on GABAergic inhibition and were diversely regulated along the longitudinal axis of the hippocampus (DH>IH>VH). These results enable a better understanding of the complex hippocampal micro-networks and shed light on the association and interaction of excitatory, inhibitory, and modulatory mechanisms in t- LTP induction along the longitudinal axis of the hippocampus

Der Hippocampus und die damit verbundenen medialen Temporallappenstrukturen haben sich als komplexes Mikronetzwerk aus erregenden und hemmenden Synapsen entwickelt, um lern- und gedächtnisrelevante Informationen zu verarbeiten. Die Längsachse des Hippocampus ist in dorsale (DH), intermediäre (IH) und ventrale (VH) Teile unterteilt. Jeder dieser Unterabschnitte zeigt eine heterogene Expression von GABAergen, glutamatergen und neuromodulatorischen Rezeptoren, wodurch vielfältige und teilweise exklusive synaptische Regulationsmechanismen geschaffen werden. Folglich könnte die synaptische Plastizität durch verschiedene exzitatorische, inhibitorische und neuromodulatorische Wechselwirkungen entlang dieser Längsachse des Hippocampus unter- schiedlich moduliert werden. Während die konventionelle Langzeitpotenzierung (LTP), die durch Hochfrequenzstimulation induziert wird, und die Langzeitdepression (LTD), die durch Niederfrequenzstimulation induziert wird, als Zellpopulationsmodelle der Gedächtnisbildung ange- sehen werden, ermöglicht die Spike-Timing-abhängige Plastizität (STDP) die Untersuchung der Timing-abhängigen t-LTP und t-LTD auf Einzelzellebene. Während die systematische Untersuchung physiologisch relevanter Low-Repeat-STDP-Paradigmen von größter Bedeutung ist, um Lernmecha- nismen in vivo zu erklären, haben nur sehr wenige frühere Studien den Beitrag der unterschiedlichen GABAergen, glutamatergen und neuromodulatorischen Mechanismen zur aktivitätsabhängigen Plastizität an einzelnen Schafferkollateral (SC)-CA1-Synapsen entlang der Längsachse des Hippocampus untersucht. Unter Verwendung von STDP mit geringer Wiederholung (6x) an SC-CA1- Synapsen durch Paarung eines präsynaptischen Aktionspotentials (AP) mit entweder einem postsynaptischen AP (kanonisches 1:1 t-LTP) oder mit einem Burst von 4 APs (Burst 1:4 t-LTP) untersuchte diese Dissertation, wie diese Low-Repeat-STDP-Protokolle durch unterschiedliche präsynaptische (6x 1:1) und postsynaptische (6x 1:4) Expressionsmechanismen vermittelt werden. Weiter wird die Rolle unterschiedlicher Quellen für die postsynaptische Ca2+-Erhöhung während der Induktion der beiden Formen von t-LTP erklärt. Während NMDA-Rezeptoren und L-Typ-Ca2+-Kanäle entscheidend für die 6x 1:1-t-LTP-Induktion in der intermediären (IH)-Region sind, hängt das 6x 1:4- Paradigma hauptsächlich von der Aktivierung von metabotropen Glutamatrezeptoren (mGluR1 und mGluR5) ab. Darüber hinaus zeigt diese Dissertation, dass die postsynaptische Insertion von GluA2- defizienten AMPARs in die Zellmembran der Hauptschritt für beide Paradigmen ist, um synaptische Veränderungen zu induzieren. Außerdem löst die Freisetzung von Ca2+ aus internen Speichern, vermittelt durch mGluR1/5-abhängige Aktivierung von IP3- und Ryanodinrezeptoren, die Induktion von sowohl 6x 1:1 als auch 6x 1:4 t-LTP aus. Andererseits hängen sowohl der dorsale (DH) als auch der ventrale Hippocampus (VH) hauptsächlich von L-Typ-Ca2+-Kanälen ab, um eine externe Ca2+- Quelle während einer 6x 1:4 t-LTP-Induktion bereitzustellen. Die Blockade der Dopamin (DA)-Rezeptor (DR)-Signalgebung zeigte, dass die t-LTP-Induktion durch das 6x 1:1-Protokoll die gleichzeitige Anwendung von D1- und D2R-Antagonisten in der DH- und VH- Region erforderte, während in der IH-Region t-LTP durch beide Protokolle induziert wurde aber von D1- und/oder D2R-Signalwegen abhing. Im Gegensatz dazu wurde das 6x 1:4-Protokoll in der VH- Region entweder durch D1- oder D2R-Antagonismus blockiert, blieb aber in der DH-Region unbeein- flusst. Diese Ergebnisse zeigten einen Gradienten der dopaminergen Regulation der STDP, der von dem zur Induktion von t-LTP verwendeten Paradigma (d.h. 6 x 1:1 vs. 6 x 1:4) entlang der Längsachse des Hippocampus abhing und möglicherweise durch den Gradienten der D1- und D2R-Expression (VH > IH > DH) bestimmt wurde. Die optogenetische Stummschaltung von DAergen Eingängen war ideal geeignet, um die Rolle von endogen freigesetztem DA für Low-Repeat-t-LTP zu adressieren. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein ausreichend hoher ambienter DA-Spiegel kurz vor und während der Induktion von 6x 1:1- und 6x 1:4-t-LTP-Paradigmen entscheidend ist, während die Hemmung der DA-Freisetzung zu späteren Zeitpunkten nicht ausreichte, um die 6x 1:1 t-LTP zu stören. Die GABAerge Regulation der t-LTP-Induktion unter entweder intakter GABAerger Hemmung (physiologischer Zustand) oder unter vollständig blockierter Hemmung unter Verwendung von gleichzeitig angewendeten GABAAR- und GABABR-Blockern zeigte, dass t-LTP entlang der Längsachse des Hippocampus unterschiedlich moduliert wird und von dem t-LTP-Stimulationsmuster abhing. Wir fanden eine komplexe Assoziation von exzitatorischen und inhibitorischen Reaktionen in Abhän- gigkeit von Stimulationsprotokollen (kanonisch oder Burst) und von der untersuchten Region (DH oder VH). Während das 6x 1:1-Protokoll seine Abhängigkeit von der GABAergen Signalübertragung zur Auslösung robuster t-LTP von DH zu VH verlor, hing das 6x 1:4-Protokoll hauptsächlich von der aktiven GABABR-Signalübertragung während der t-LTP-Induktion ab. Darüber hinaus hingen sowohl die neuronale Erregbarkeit als auch die basale synaptische Übertragung an SC-CA1-Synapsen von der GABAergen Hemmung ab und wurden unterschiedlich entlang der Längsachse des Hippocampus (DH > IH > VH) reguliert. Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der komplexen Hippocampus-Mikronetz- werke und beleuchten die Assoziation und Interaktion von exzitatorischen, inhibitorischen und modulatorischen Mechanismen bei der t-LTP-Induktion entlang der longitudinalen Achse des Hippocampus.