MGluR5 опосредства взаимодействието между Late-LTP, мрежова активност и обучение

bg.waykun.com - Диета и загуба на тегло, днес

Допринесе еднакво за тази работа с: Артър Бикбаев, Сергей Нейман

Отделение за експериментална неврофизиология, Медицински факултет, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия

Допринесе еднакво за тази работа с: Артър Бикбаев, Сергей Нейман

Отделение за експериментална неврофизиология, Медицински факултет, Университет Рур, Бохум, Бохум, Германия, Група за изследване на синаптичната пластичност, Институт по физиология (Шарите), Университет Хумболт, Берлин, Германия

Афилиация Instituto Neurologico Mediterraneo (INM), Neuromed, Pozzilli, Италия

Фармакологичен отдел, Медицински център на университета Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати

Принадлежности Instituto Neurologico Mediterraneo (INM), Neuromed, Pozzilli, Италия, Катедра по човешка физиология и фармакология, Римски университет „La Sapienza“, Рим, Италия

Отделение за експериментална неврофизиология, Медицински факултет, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия, Международно висше училище по неврология, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия

Артър Бикбаев,
Сергей Нейман,
Ричард Теке Нгомба,
Джефри Кон,
Фердинандо Николети,
Дениз Манахан-Вон

Корекция

28 май 2008: Bikbaev A, Neyman S, Ngomba RT, Conn PJ, Nicoletti F, et al. (2008) Корекция: MGluR5 опосредства взаимодействието между Late-LTP, мрежова активност и обучение. PLOS ONE 3 (5): 10.1371/анотация/58313075-ff2e-4268-9272-e942aed8d2f6. https://doi.org/10.1371/annotation/58313075-ff2e-4268-9272-e942aed8d2f6 Преглед на корекцията

Фигури

Резюме

Синаптичната пластичност и ученето на хипокампала са силно регулирани от метаботропните глутаматни рецептори (mGluRs) и по-специално от mGluR5. Тук изследвахме механизмите, лежащи в основата на mGluR5-модулацията на тези явления. Продължителната фармакологична блокада на mGluR5 с MPEP води до дълбоко увреждане на пространствената памет. Ефектите са свързани с 1) намаляване на mGluR1a-експресията в зъбната извивка; 2) нарушен зъбен гирус LTP; 3) подобрен CA1-LTP и 4) потиснати тета (5–10 Hz) и гама (30–100 Hz) трептения в зъбната извивка. Алостеричното потенциране на mGluR1 след блокада на mGluR5 значително подобрява dentate gyrus LTP, както и потискане на гама осцилаторната активност. CA3-лезията предотвратява MPEP ефектите върху CA1-LTP, което предполага, че нивата на пластичност в CA1 се определят от mGluR5-зависимата синаптична и мрежова активност в зъбната извивка. Тези данни подкрепят хипотезата, че продължителното инактивиране на mGluR5 причинява променени нива на хипокампална LTP и мрежова активност, което отчасти се медиира от нарушена експресия на mGluR1 в зъбната извивка. Последицата е увреждане на дългосрочното обучение.

Цитат: Bikbaev A, Neyman S, Ngomba RT, Conn J, Nicoletti F, Manahan-Vaughan D (2008) MGluR5 опосредства взаимодействието между Late-LTP, мрежова активност и обучение. PLoS ONE 3 (5): e2155. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002155

Редактор: Джо З. Циен, Медицински колеж в Джорджия, Съединени американски щати

Получено: 3 октомври 2007 г .; Прието: 15 март 2008 г .; Публикувано: 14 май 2008 г.

Финансиране: Тази работа беше подкрепена от грант за научни изследвания на Германската изследователска фондация (Deutsche Forschungsgemeinschaft) (DFG). DFG не участва в проектирането и провеждането на изследването, в събирането, анализа и интерпретацията на данните и в подготовката, прегледа или одобрението на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Базираното на хипокампус обучение и памет вероятно ще бъдат кодирани от две форми на хипокампална синаптична пластичност: дългосрочно потенциране (LTP) и дългосрочна депресия (LTD) [1] - [2]. Формите на LTP и LTD, зависими от N-метил D-аспартатен рецептор (NMDAR), се индуцират чрез шаркирана електрическа стимулация на перфорантен път или Schaffer обезпечителни/комисурални влакна и издържат дни и седмици in vivo [3] - [5]. Въпреки че ролята на метаботропните глутаматни рецептори (mGluRs) в хипокампалната синаптична пластичност се оказва спорен момент при in vitro проучвания, очевидна е значителна последователност в подкрепа на критичната роля на тези рецептори в устойчивостта на синаптичната пластичност in vivo [6] - [11].

Като членове на семейство С на рецепторите, свързани с G-протеин, mGluR от група I притежават голям извънклетъчен домен, съдържащ ортостерично свързващо място за глутамат, хептахеличен трансмембранен домен, който съдържа алостеричен модулаторен свързващ сайт и вътреклетъчен С-край, който взаимодейства с закрепване/скеле протеини и контролира съставната активност на mGluR [12] - [13]. MGluRs от група I, съдържащи mGluR1 и mGluR5, са разположени предимно постсинаптично и се свързват за предпочитане с Gq/11 и неговите ефектори, като фосфолипаза С. Активирането на mGluRs от група I увеличава вътреклетъчната концентрация на Ca 2+ чрез два различни механизма: потенциране на NMDAR токове и Освобождаване на Ca 2+ от вътреклетъчни басейни (вж. За преглед: [12] - [14]).

Доколкото повишаването на вътреклетъчните нива на калций определя експресията на NMDAR-зависими хипокампални LTP и LTD [15], като и двете са зависими от протеиновия синтез [16] - [17], промените в концентрацията на цитозолен калций могат да бъдат присъщи във вътрешността на клетъчни механизми, лежащи в основата на съхранението на информация в мозъка на бозайниците. Нарушенията както на LTP, така и на пространственото обучение чрез mGluR5 антагонизъм [11], [18] също могат да бъдат свързани с промени в повърхностната експресия или циклизиране на тези рецептори [19]. MGluR от група I играят важна роля в регулирането на мрежовата активност в хипокампуса [20] - [22]. Функционалните смущения на тези рецептори могат да променят присъщата активност на хипокампалната мрежа, което от своя страна засяга способността на хипокампуса да участва в съхранението на информация.

Ние се заехме да се справим с тези възможности, като използваме in vitro записи от подготовката на хипокампален резец CA1 и хронични електрофизиологични записи от два подрегиона на хипокампуса на възрастен плъх. Проучванията се провеждаха успоредно с анализ на обучението в радиален лабиринт с 8 ръце и с биохимичен анализ. Последствията от инактивацията на mGluR5 за активността на хипокампалната мрежа бяха оценени с помощта на анализ на интрахипокампалните тета и гама трептения.

Нашите данни разкриват, че регулирането от mGluR5 на хипокампалната синаптична пластичност се проявява както в NMDA-зависимата фаза на рецептора, така и в фазата на LTP, зависима от протеиновия синтез. Намаляването както на краткосрочната, така и на дългосрочната памет, което се наблюдава след фармакологична блокада на mGluR5, е съчетано с дефицити в късния LTP в зъбната извивка и засилване на LTP в CA1 региона. Този ефект от своя страна е свързан с инхибиране на експресията на mGluR1a рецептор и промени в тета-гама активността в зъбната извивка. Ние постулираме, че регулирането надолу на mGluR1a е ключов фактор за ефектите, медиирани от продължителна блокада на mGluR5: лечението с mGluR1a потенциатор обръща ефекти в зъбния извивка и CA3-лезирането предотвратява ефектите в CA1 региона. Нашите данни осигуряват силна връзка между тета-гама активността, LTP експресията и кодирането на краткосрочната и дългосрочната памет в хипокампуса и поддържат, че mGluR5 силно регулира тези явления чрез механизъм, включващ контрол на експресията на mGluR1.

Резултати

Продължителният антагонизъм на mGluR5 инхибира работата на работната и референтната памет

Ежедневното приложение на 2-метил-6- (фенилетинил) пиридин (MPEP, 1,8 µg, icv), неконкурентният антагонист на mGluR5 [23], е показано преди, че причинява влошаване на паметта в радиалния лабиринт с 8 ръце [ 11], [18]. Ефектите се проявяват за първи път до третия ден от лечението с MPEP и стават по-изразени, когато лечението продължава в продължение на няколко дни. Нашата цел беше да изследваме промените в хипокампалната функция, които стават очевидни успоредно с дефицити в пространственото обучение. Следователно, за да потвърдим, че сравнителен дефицит на обучение се наблюдава и при животните, използвани в настоящото проучване, ние проследихме резултатите от обучението в радиалния лабиринт в продължение на три дни, през които животните получиха или MPEP (1,8 µg, icv, n = 9) или превозно средство (n = 7) като ежедневна инжекция 30 минути преди тренировка в лабиринта (Фигура 1). В съответствие с предишните ни наблюдения, увреждането на референтната памет става очевидно още на третия ден от лечението (t-тест: p Фигура 1. Продължителният антагонизъм на mGluR5 in vivo инхибира работата на работната и референтната памет.

A, B. MPEP се дава ежедневно (1,8 µg, i.c.v.), 30 минути преди тестване на учебните показатели в радиален лабиринт с 8 ръце, където само 4 ръце са захранвани с храна. Към третия ден на изпитването се забелязва значително увреждане както на референтната (A), така и на работната памет (B). Звездичките обозначават статистическа значимост (p Фигура 2. Продължителният антагонизъм на mGluR5 води до намалена експресия на mGluR1 в зъбната извивка, но не и в CA1 региона.

Експресията на mGluR5, mGluR2/3 и NR2A остават непроменени както в зъбната извивка, така и в CA1. A, B. Western blot анализ на NR2A, mGluR5, mGluR1 и mGluR2/3 рецептори в зъбната извивка (A) и в CA1 региона (B). Всяка лента показва рецепторна експресия при отделни животни от контролни и третирани групи. C, D. Денситометричният анализ на експресията на NR2A, mGluR5, mGluR1 и mGluR2/3 са показани в зъбната извивка (C) и в CA1 (D), след остро или продължително лечение с MPEP. Всяка индивидуална стойност се нормализира чрез експресията на ß-актин. Стойностите са средни ± S.E.M от шест индивидуални определяния. Asterix означава статистически значима разлика (p Фигура 3. Нарушение на LTP е настъпило, след като продължителният антагонизъм на mGluR5 е частично медииран от mGluR1 в зъбната извивка.

A, B. HFT индуцира стабилен LTP с амплитуда на PS (A) и наклон на fEPSP (B) в контроли, третирани с превозно средство в продължение на три дни (отворени кръгове). Продължителното приложение на MPEP (запълнени кръгове) води до значително увреждане на LTP, индуцирано 30 минути след последното инжектиране, в сравнение с контролите, инжектирани с носител. Потенцирането на mGluR1 от Ro67-4853 след лечение с MPEP (сиви диаманти) доведе до значително възстановяване на късно-LTP. Данните са представени като средна стойност ± S.E.M. В. Аналозите представляват fEPSP отговори по време на изходно ниво преди HFT, 5 минути след HFT и 24 часа след HFT период, записани след третиране с (i) носител, (ii) MPEP и (iii) MPEP и Ro67-4853. Скала: вертикална 2 mV, хоризонтална 5 ms.

Нашата констатация, че продължителният антагонизъм на mGluR5 е довел до специфично за субрегиона понижаване на mGluR1a в зъбната извивка, предполага, че видимото увреждане на LTP, наблюдавано в този регион, може да бъде, поне отчасти, свързано с намалена функция на mGluR1. За да изясним тази възможност, лекувахме животни с Ro67-4853, положителен алостеричен mGluR1 модулатор [25]. Това съединение не активира mGluR1 рецептора сам по себе си, но усилва ефектите от активирането на mGluR1 от глутамат или други ортостерични агонисти [25] - [27].

Ro67-4853 се прилага веднъж след последното (трето) инжектиране или на носител, или на MPEP (и двата n = 6), 15 минути преди HFT. Приложението на Ro67-4853 доведе до депресия на базалната синаптична трансмисия, значима както за амплитудата на PS (F1,28 = 12,85, p Фигура 4. Продължителният антагонизъм на mGluR5 in vivo засилва късния LTP в CA1 региона in vitro.

А. Продължителното in vivo лечение с MPEP води до засилване на късния LTP в CA1 региона in vitro, в сравнение с контролите. Б. Аналозите представляват (i) преди HFT, (ii) 5 минути след HFT и (ii) 4 часа след HFT, в отбелязаните моменти, при животни, третирани с носител и MPEP. За контроли: вертикална лента: 2 mV, хоризонтална лента: 5 ms. За MPEP: вертикална лента: 1 mV, хоризонтална лента: 5 ms. Данните са представени като средно ± S.E.M.

Нарушаването на комуникацията между зъбната извивка и CA1 региона обръща хроничните ефекти от лечението с MPEP върху LTP

За да се определи дали промените в синаптичната обработка в зъбната извивка биха могли да допринесат за променената LTP, която наблюдавахме в CA1 региона на животни, претърпели продължителен антагонизъм на mGluR5, ние намалихме CA3 региона при друга група плъхове и повторихме MPEP експериментите . Прилагането на каинат (0,5 µg в 1 µl) води до изразена, но селективна лезия на CA3 региона (Фигура 5А). Базалното синаптично предаване при животни с лезии CA3 е било стабилно през целия период на запис след продължително лечение или с носител (n = 5), или MPEP (1,8 µg, n = 4) (Фигура 5B).

А. Напречен разрез през мозъка на плъх на нивото на около. 3,1–3,3 mm отзад на брегмата, демонстрирайки лезията на хипокампалната СА3 област в резултат на инжектиране на каинат. Б. Ежедневното приложение на MPEP в продължение на три дни при плъхове, легирани с CA3, доведе до засилена индукция на LTP в CA1 регион в сравнение с CA3 лезирани животни, които бяха третирани с носител. Данните са представени като средно ± S.E.M. В. Аналозите представляват (i) pre-HFT, (ii) 5 минути след HFT и (iii) 24 часа след HFT, при CA3 лезирани животни след третиране или с носител или MPEP. Вертикална лента: 2 mV, хоризонтална лента: 5 msec.

Не е открита разлика в късната фаза на CA1 LTP между две групи CA3-лезирани животни, които многократно са били третирани или с носител, или с MPEP (Фигура 5В). Интересното е, че индукционната фаза на LTP е значително подобрена след продължителен антагонизъм на mGluR5, в сравнение с третирани с носител плъхове (F1,151 = 14,75, p Фигура 6. Активността на хипокампалната мрежа се променя при животни, лекувани с mGluR5 антагонист.

A, B. Относителна тета (5–10 Hz, A) и гама (30–100 Hz, B) мощност в зъбната извивка продължително лечение с носител (отворени кръгове), MPEP самостоятелно (запълнени квадратчета) или MPEP с Ro67-4853 (запълнени триъгълници). Обърнете внимание, че потенцирането на mGluR1 с Ro67-4853 частично предотврати потискането на гама трептенията, което беше причинено от продължително лечение с MPEP. Стойностите представляват осреднени данни за пет епохи от 4 секунди, избрани след тестови импулси във всяка точка от времето и нормализирани до стойности преди инжектиране (средно ± S.E.M.). Приспособяванията на кривите се нанасят на основата на най-малките квадрати, претеглени на разстояние за точките след HFT.

Анализът на ефекта на продължителния антагонизъм на mGluR5 върху относителната тета мощност в периода след HFT разкрива неговата значимост (F1,855 = 9,28, p, където 160 е равна на дължината на лабиринта от върха на ръката до върха на противоположната ръка).

Анализ на поведенчески данни.

Данните за грешки в работната и референтната памет от всеки от трите опитни дни бяха анализирани за всеки индивид и изразени като средни данни за ден на изпитване. ANOVA се използва за определяне на статистическа значимост. Нивото на вероятност, интерпретирано като статистически значимо, е pth, 1986 г. (86/609/ЕИО) за грижи за лабораторни животни и след одобрение от местните етични комитети (сенат на Берлин или Bezirksamt Arnsberg).

Кайната лезии

При животни, претърпели двустранни лезии на CA3 региона с каинова киселина (Biotrend, Германия), бяха направени допълнителни пробивни отвори (3,5 mm отзад на брегмата, 3,2 mm странично от средната линия), по време на имплантиране на електроди. Преди имплантиране на електрод, канюла, прикрепена чрез полиетиленови тръби към спринцовка Хамилтън, беше спусната в CA3 областта (дълбочина 3,0–3,3 mm) и инжекционната каинова киселина (0,5 µg, разтворена в 1 µl инжекционен обем 0,9% NaCl) беше инжектирана за период от 10 минути. Тридесет минути по-късно канюлата беше отстранена, отворът за пробиване беше запечатан с цианоакрилатно лепило и зъбен цимент и инжекцията беше повторена в противоположното полукълбо по същия начин. В този случай обаче сондажният отвор не беше запечатан след инжектиране, за да се даде възможност за последващо имплантиране на електродите. След това бяха спазени процедурите, както е описано по-горе. След приключване на експериментите беше извършен хистологичен анализ след смъртта, за да се гарантира, че е настъпила точна лезия на CA3 региона. Животните, които са изразили спонтанни епилептични припадъци след периода на възстановяване, са изключени от проучването.

Измерване на евокирани потенциали

Отговорите бяха предизвикани чрез стимулиране при ниска (тест-импулсна) честота (0,025 Hz, 0,2 ms продължителност на стимула, 16 kHz честота на вземане на проби), както е описано по-рано [3], [68]. В зъбната извивка LTP се индуцира от HFT от 200 Hz (10 изблика на 15 стимула, продължителност на стимула 0,2 ms, интервал между избухвания 10 s), като се използва амплитуда на стимула, която е същата като използваната за записи. В CA1 региона LTP се индуцира от HFT от 100 Hz (10 изблика на 10 стимула, продължителност на стимула от 0,1 ms, интервал от 10 s между избухвания) и амплитуда на стимула, която съставлява 20% от максимума, определен от анализа на входа-изхода.

In vivo лечение преди експерименти in vitro

Под анестезия, канюла е имплантирана в страничната мозъчна камера на седем до осемседмични мъжки плъхове. След 7–10-дневно възстановяване след операция, MPEP се прилага (1,8 µg в 5 µl) три пъти на интервали от 24 часа (процедури, описани по-горе). По-нататък 24 часа по-късно хипокампите бяха дисектирани за in vitro електрофизиологичен анализ.