Elektrophysiologische Untersuchungen des neuromodulatorischen Einfluss von Dopamin und Noradrenalin auf die synaptische Plastizität von Schaffer-Collateral-CA1 Synapsen des murinen Hippocampus

Abstract

Der Hippocampus stellt eine essentielle Gehirnstruktur der Gedächtnisbildung dar. Entsprechend seiner afferenten und efferenten Verbindungen werden zwei funktionelle Kompartimente entlang der longitudinalen (septotemporalen) Achse unterschieden: der dorsale Hippocampus (DH), welcher an räumlichem und episodischem Lernen beteiligt ist, sowie der ventrale Hippocampus (VH), der an der Verarbeitung emotionaler Gedächtnisinhalte mitverantwortlich ist. Mithilfe elektrophysiologischer Techniken eignet sich der Hippocampus hervorragend zur Untersuchung neuroplastischer Prozesse auf zellulärer Ebene: zur Untersuchung von Lern- und Gedächtnisvorgängen stellt dabei die Langzeitpotenzierung (LTP) ein wissenschaftlich anerkanntes elektrophysiologisches Korrelat dar. Einige in den Hippocampus projizierende Transmittersysteme wie das dopaminerge und noradrenerge System sind in der Lage, die hippocampale synaptische Plastizität zu modulieren und durch Voraktivierung (engl. priming) des Systems mit einem nachfolgenden plastizitätsinduzierenden Ereignis dauerhafte Veränderungen hervorzurufen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Prozess des „Behavioral tagging“ (BT) im zellulären Modell auf synaptischer Ebene untersucht. Dieser beschreibt die, durch zeitlich nahe Kopplung eines schwachen Lernreizes mit einem salienten Ereignis, langfristige Speicherung des Lerninhaltes. Dazu wurde der neuromodulatorische Einfluss der Neurotransmitter Dopamins (DA) und Noradrenalin (NE) als metaplastizitätsinduzierendes Ereignis (engl. priming) zu unterschiedlichen Zeiten auf die Kurz- und Langzeitpotenzierung entlang der longitudinalen Achse eingehend untersucht: in männlichen, 8-15 Wochen alten C57BL/6J-Mäusen wurde an akuten Hirnschnittpräparaten die synaptische Plastizität an Schaffer-Collateral (SC)- CA1 Synapsen mithilfe extrazellulärer Feldpotentialableitungen analysiert. Dazu wurde ein schwacher LTP-induzierender Stimulus mit dem Neurotransmitter-Priming (d.h. exogener Applikation von Neurotransmittern) gekoppelt. Es konnte gezeigt werden, dass die dauerhafte Anwesenheit des exogenen DA eine Verstärkung der frühen Phase der LTP (engl. early, e-LTP) bedingt. Um möglicherweise zeitabhängig vorliegende neuromodulatorische Wirkungen der Neurotransmitter auf die e-LTP zu detektieren, wurde exogenes DA bzw. NE zu unterschiedlichen Zeitpunkten (engl. priming time, PT) -bezogen auf den schwachen LTP-induzierenden Stimulus- entweder vor (proaktiv), zeitgleich mit (aktiv) oder nach (retroaktiv) der LTP-Induktion appliziert. Die Applikation von exogenem DA bewirkte 45 Minuten vor dem LTP-induzierenden Stimulus (d.h. proaktiv) über die longitudinale Achse hinweg eine Verstärkung der e-LTP. Eine sowohl zeitgleich mit (aktiv) als auch nach (retroaktiv) dem LTP-induzierenden Stimulus erfolgende Applikation von DA bedingte in keinem der untersuchten Hippocampusregionen eine e-LTP-verstärkende Wirkung. Weiterhin konnte unter Verwendung des D1/D5-Agonisten Dihydrexidin gezeigt werden, dass der proaktive e-LTP-modulierende Effekt des exogenen DA durch D1-artige (engl. D1-like) Rezeptoren vermittelt wird. Die proaktive Applikation von exogenem NE bedingt nur im ventral-intermediären Hippocampus zehn Minuten vor dem LTP-induzierenden Stimulus eine Verstärkung der e-LTP, wohingegen dieser Effekt im ausschließlich ventralen und dorsalen Pol des Hippocampus nicht beobachtet werden konnte. Sowohl pro- als auch retroaktiv konnte im VH und DH kein e-LTP-verstärkender Effekt des NE gezeigt werden. Eine über β-Adrenorezeptoren vermittelte Aktivierung noradrenerger Rezeptoren konnte durch Applikation des β-Agonisten Isoproterenol nicht eindeutig signifikant belegt werden. Die ausschließlich im DH vorgenommene kombinierte pro- und retroaktive Applikation der Catecholamine (mit unterschiedlichen Variationen hinsichtlich der PT und Kombinationen der Substanzen) erzielte keine e-LTP-verstärkende Wirkung. Für den Aufbau persistierender Neuroplastizitätsformen, zu denen die LTP zählt, ist die Synthese plastizitätsrelevanter Proteine (engl. plasticity related proteins, PRPs) notwendig. Zur Untersuchung, ob Neurotrophine, im Speziellen BDNF (engl. brain-derived neurotrophic factor), als Kandidat eines PRP in dieser e-LTP in Frage kommt, wurde nach Abschluss der im DH o.g. durchgeführten extrazellulären Feldpotentialmessungen der BDNF-Gehalt mithilfe molekularbiologischer Analysen individuell quantifiziert. Es konnte eine Erhöhung der BDNF-Konzentration unter Einfluss des β-Agonisten Isoproterenol im Vergleich zum exogenen NE sowie in Zeitabhängigkeit der kombinierten pro- und retroaktiven Applikation der Catecholamine gezeigt werden.

The hippocampus is an important brain structure for memory formation. According to its afferent and efferent connections, two functional compartments could be distinguished along the longitudinal (septotemporal) axis: the dorsal hippocampus (DH) is more heavily involved in spatial and episodic learning, while the ventral hippocampus (VH) is mainly responsible for processing of emotional memory contents. Using electrophysiological techniques, the hippocampus is an ideal subject for studying neuroplastic processes at the cellular level. Here, long-term potentiation (LTP) represents a scientifically widely accepted cellular mechanism to study learning and memory processes. Some transmitter systems projecting into the hippocampus, such as the dopaminergic and noradrenergic systems, are capable to modulate hippocampal synaptic plasticity and induce permanent changes through prior receptor priming. In this thesis, the process of „Behavioral tagging“ (BT) was investigated in a cellular model at the synaptic level. BT describes a long-term storage of a learning content by temporally close coupling of a weak learning with a salient event. For this purpose, the neuromodulatory influence of the neurotransmitters dopamine (DA) and norepinephrine (NE) as a metaplasticity-inducing event (priming) at different times was investigated in detail: in male, 8-15 week old C57BL/6J mice, synaptic plasticity at Schaffer-Collateral (SC) -CA1 synapses was analyzed using extracellular field potential recordings in acute hippocampal slices. For this purpose, a weak LTP-inducing stimulus was coupled with the neurotransmitter priming, i.e. exogenous application of the neurotransmitter. It could be shown that the permanent presence of exogenous DA leads to an enhanced early phase of LTP (e-LTP). For detection of possible time-dependent neuromodulatory effects of neurotransmitters on e-LTP, exogenous DA or NE was applied at different times (i.e. priming time, PT) -related to the weak LTP-inducing stimulus- either before (proactively), simultaneously with (actively), or after (retroactively) LTP induction. Application of exogenous DA caused enhancement of e-LTP across the longitudinal axis 45 minutes before the LTP-inducing stimulus occur (i.e., proactively). Application of DA neither simultaneously with (active) nor after (retroactive) the LTP-induction elicited an e-LTP enhancing effect in any of the hippocampal regions tested. Furthermore, using the D1/D5 agonist dihydrexidine, it was shown that this proactive e-LTP-modulating effect of exogenous DA is mediated by D1-like receptors. The proactive activation of the noradrenergic system by application of exogenous NE lead to enhanced e-LTP only in the ventral-intermediate hippocampus when applied ten minutes before the LTP-inducing stimulus, whereas this effect could not be observed in the pure ventral and dorsal pole of the hippocampus. An e-LTP-enhancing effect of NE could not be shown, neither proactively nor retroactively in the VH and DH. Activation of noradrenergic receptors via β-adrenoreceptors by application of the β-agonist isoproterenol did not show significant effects. The combined proactive and retroactive application of the dopamine and noradrenaline (with different variations in terms of priming time (PT) and combinations of the substances) performed exclusively in the DH did not yield any e-LTP-enhancing effect. The synthesis of plasticity-related proteins (PRPs) is necessary for the establishment of persistent neuroplasticity, which includes LTP. To investigate whether neurotrophins, specifically BDNF (brain-derived neurotrophic factor), is a possible candidate for a PRP in this e-LTP, BDNF content was individually quantified using molecular biological analyses after completion of the extracellular field potential measurements performed in the DH as mentioned above. An increase in BDNF concentration under the influence of the β-agonist isoproterenol compared with exogenous NE as well as in time dependence of the combined pro- and retroactive application of catecholamines could be shown.