Depolarisationsinducerad undertryckning av hämning

Depolarisationsinducerad undertryckning av hämning är det klassiska och ursprungliga elektrofysiologiska exemplet på endocannabinoid funktion i det centrala nervsystemet . Innan demonstrationen att depolarisationsinducerad undertryckande av hämning var beroende av cannabinoid CB1 -receptorfunktionen, fanns det inget sätt att producera en in vitro endocannabinoidmedierad effekt.

Depolarisationsinducerad undertryckning av hämning produceras klassiskt i ett hjärnskivningsexperiment (dvs. en hjärnskiva på 300-400 µm, med intakta axoner och synapser) där en enda neuron "depolariseras" (den normala −70 mV potentialen över det neuronala membranet reduceras, vanligtvis till −30 till 0 mV) under en period av 1 till 10 sekunder. Efter depolariseringen reduceras hämmande GABA- medierad neurotransmission. Detta har visats vara orsakat av frisättningen av endogena cannabinoider från den depolariserade neuronen som diffunderar till närliggande neuroner, och binder och aktiverar CB1 -receptorer, som verkar presynaptiskt för att minska frisättningen av neurotransmittorer.

Historia

Depolarisationsinducerad hämning av hämning upptäcktes 1992 av Vincent et al., (1992) som arbetade i purkinjeceller i lillhjärnan och bekräftades sedan i hippocampus av Pitler & Alger, 1992.

Dessa grupper studerade svaren från stora pyramidala projektionsneuroner på GABA , den huvudsakliga hämmande neurotransmittorn i det centrala nervsystemet. GABA frisätts vanligtvis av små interneuroner i många delar av hjärnan, där dess uppgift är att hämma aktiviteten hos primära neuroner, såsom CA1 pyramidala neuroner i hippocampus eller Purkinje-cellerna i cerebellum. Aktivering av GABA-receptorer på dessa celler, oavsett om de är jonotropa eller metabotropa , resulterar typiskt i inflödet av kloridjoner till den målcellen. Denna uppbyggnad av negativ laddning från kloridjonerna resulterar i hyperpolarisering av målcellen, vilket gör det mindre benäget att avfyra en aktionspotential . Följaktligen kallas varje jonström som hyperpolariserar en cell en hämmande ström.

I sina experiment med projektionsneuroner i hippocampus och lillhjärnan märkte båda grupperna att ett tåg av aktionspotentialer i dessa celler resulterade i en tillfällig minskning av hämmande strömmar orsakade av GABA-erga interneuroner. Eftersom denna minskning av hämmande strömmar kunde framkallas helt enkelt genom depolarisering av målcellen, benämndes detta fenomen depolarisationsinducerad undertryckande av hämning. Medan de ursprungligen upptäcktes i CA1-neuroner i hippocampus och Purkinje - celler i lillhjärnan, är depolarisationsinducerad undertryckande av hämning ett ganska allmänt förekommande fenomen och har påvisats i andra delar av hjärnan som basalganglierna, cortex , amygdala och hypotalamus (Katona et al. 2001, Jo et al. 2005, Bodor et al. 2005, Matyas et al. 2006 )

Depolarisationsinducerad undertryckande av hämningsmediering av endocannabinoider

Depolarisationsinducerad undertryckande av hämning ansågs bero på en minskning av pre-synaptisk neurotransmittorfrisättning av två skäl. 1) Storleken på spontant framkallade hämmande postsynaptiska strömmar ( IPSCs ), orsakade av frisättningen av en enda pre-synaptisk vesikel fylld med GABA, förblev oförändrad och 2) De cellulära svaren på exogent applicerad GABA förblev desamma. Dessa observationer antydde att inga förändringar inträffade i den postsynaptiska cellen för att ändra dess känslighet för GABA under depolarisationsinducerad hämning. På något sätt verkade depolarisationsinducerad undertryckande av hämning förmedlas av en retrograd synaptisk budbärare vars syntes eller frisättning stimulerades av depolariseringen av målcellen. Denna budbärare diffunderade sedan "bakåt" till den presynaptiska cellen, där den orsakade en minskning av frisättningen av neurotransmittorer.

De kemiska budbärarna som antas vara ansvariga för att förmedla depolarisationsinducerad undertryckande av hämning upptäcktes av tre separata grupper 2001. Wilson & Nicoll (2001) publicerade sitt arbete i den prestigefyllda tidskriften Nature, medan de andra två grupperna, Kreitzer & Regehr ( 2001) och Ohno-Shosaku et al. (2001), publicerad i samma nummer av en annan välrenommerad tidskrift, Neuron. Alla tre visade starkt engagemang av CB1- cannabinoidreceptorn i depolarisationsinducerad hämning, vilket tyder på att endocannabinoiderna var hjärnans förmedlare av depolarisationsinducerad hämning. De visade att cannabinoidreceptoragonister , läkemedel som efterliknar verkan av endocannabinoider eller THC, kunde framkalla samma minskning av hämmande strömmar som orsakas av depolarisationsinducerad hämning. De visade också att depolarisationsinducerad undertryckande av hämning kunde förhindras av cannabinoidreceptorantagonister , läkemedel som blockerar verkan av cannabinoidföreningar.

Andra bevis stöder CB1-receptorns roll i depolarisationsinducerad hämning. Denna receptor är distribuerad mycket brett i hela hjärnan och täcker alla områden där depolarisationsinducerad undertryckande av hämning har observerats (Herkenham et al. 1990). CB1-receptorn tycks också uttryckas huvudsakligen på GABA-erga pre-synaptiska terminaler, vilket gör den till en utmärkt kandidat för att förmedla depolarisationsinducerad undertryckande av hämning (Matyas et al. 2006, Katona et al. 1999). År 2005 började andra grupper att påvisa involveringen av CB1-receptorn i DSI i andra delar av hjärnan (Jo et al. 2005, Bodor et al. 2005). Slutligen tillämpades depolarisationsinducerad undertryckande av hämningsforskning till möss som hade CB1-receptorn genetiskt "utslagen". Hittills är dessa knock-out möss inte kända för att uppvisa DSI i några regioner i hjärnan, vilket tyder på att CB1-receptorn är den avgörande mediatorn för DSI (Kreitzer & Regehr 2001a, Ohno-Shosaku et al. 2002 ) .

Upptäckten att depolarisationsinducerad hämning av hämning medieras av endocannabinoider förklarade slutligen varför både CB1-receptorn och endocannabinoiderna är så brett distribuerade i hjärnan. Depolarisationsinducerad undertryckning av hämning är en mycket vanlig form av kortvarig plasticitet och måste därför förmedlas av en vanlig signalsubstans. Användningen av endocannabinoider som anandamid och 2-arakidonoylglycerol i denna signaleringsmetod är ganska logisk, eftersom båda molekylerna relativt enkelt kan syntetiseras från lipider i plasmamembranet, en grundläggande beståndsdel i alla celler. Depolarisationsinducerad undertryckning av hämning är därför den primära kortikala processen som medieras av endocannabinoiderna och kan bidra till många former av kortikal plasticitet och synaptisk förstärkning, såsom vid långvarig potentiering (Carlson et al. 2002).

En anteckning om depolarisationsinducerad undertryckning av excitation

Under arbetet med lillhjärnan upptäckte Kreitzers grupp också att depolarisering av Purkinje-celler också kunde orsaka en tillfällig minskning av excitatoriskt inflöde till dessa celler från både klättrande fibrer och parallella fibrer (Kreitzer et al. 2001b ) . Detta fenomen kallades depolarisationsinducerad suppression av excitation (DSE), och skiljer sig från DSI endast genom den typ av neurotransmittor vars frisättning är reducerad. I fallet med DSI är resultatet en minskning av hämmande GABA-frisättning, medan i DSE är effekten en minskning av excitatorisk glutamatfrisättning . DSE visade sig också förekomma i andra delar av hjärnan, men bevisen för involveringen av endocannabinoidreceptorn CB1 i denna process är inte lika solida som det är för DSI. Både DSI och DSE har studerats i CB1 knock-out möss . Vissa grupper visar att både DSI och DSE saknas hos dessa möss, medan andra har visat att DSE, men inte DSI, fortfarande kan framkallas i knock-outs (Ohno-Shosaku et al. 2002, Hajos et al. 2001). Endocannabinoiderna kan fortfarande mediera DSE också, men genom att verka på en ännu okänd cannabinoidreceptor. Vissa arbeten har visat att anandamid kan binda till vannilloida receptorn VR1 , receptorn som är ansvarig för att mediera effekterna av kapsaicin . Denna receptor finns i hjärnan, och anandamidverkan vid denna receptor kan potentiellt bidra till DSE (Cristino et al. 2006, Hajos et al. 2002). Men DSE är för närvarande ett i stort sett outforskat fenomen och mer forskning behövs för att dra några säkra slutsatser.

•    Bodor AL, Katona I, Nyiri G, Mackie K, Ledent C, Hajos N, Freund TF (juli 2005). "Endocannabinoid signalering i råtts somatosensoriska cortex: laminära skillnader och involvering av specifika interneurontyper" . J Neurosci . 25 (29): 6845–6856. doi : 10.1523/JNEUROSCI.0442-05.2005 . PMC 6725346 . PMID 16033894 .
• Carlson G, Wang Y, Alger BE. (2002) Endocannabinoider underlättar induktionen av LTP i hippocampus. Nat Neurosci. Aug; 5(8):723-4.
• Cristino L, de Petrocellis L, Pryce G, Baker D, Guglielmotti V, Di Marzo V. (2006) Immunhistokemisk lokalisering av cannabinoid typ 1 och vanilloid transient receptor potentiella vanilloid typ 1 receptorer i mushjärnan. Neurovetenskap. 5 apr; I pressen.
• Hajos N, Freund TF. (2002) Farmakologisk separation av cannabinoidkänsliga receptorer på hippocampus excitatoriska och hämmande fibrer. Neurofarmakologi. Sep;43(4):503-10.
• Hajos N, Ledent C, Freund TF. (2001) Ny cannabinoidkänslig receptor förmedlar hämning av glutamatergisk synaptisk överföring i hippocampus. Neurovetenskap. 106(1):1-4.
• Herkenham M, Lynn AB, Little MD, Johnson MR, Melvin LS, de Costa BR, Rice KC. (1990) Cannabinoidreceptorlokalisering i hjärnan. Proc Natl Acad Sci US A. Mar;87(5):1932-6.
• Jo YH, Chen YJ, Chua SC Jr, Talmage DA, Roll LW. (2005) Integration av endocannabinoid- och leptinsignalering i en aptitrelaterad neural krets. Nervcell. 22 dec;48(6):1055-66.
• Katona I, Rancz EA, Acsady L, Ledent C, Mackie K, Hajos N, Freund TF. (2001) Distribution av CB1 cannabinoidreceptorer i amygdala och deras roll i kontrollen av GABAergisk överföring. J Neurosci. 1 dec;21(23):9506-18.
• Katona I, Sperlagh B, Sik A, Kofalvi A, Vizi ES , Mackie K, Freund TF. (1999) Presynaptiskt lokaliserade CB1 cannabinoidreceptorer reglerar GABA-frisättning från axonterminaler av specifika hippocampala interneuroner. J Neurosci. Jun 1;19(11):4544-58.
• Kreitzer AC, Regehr WG. (2001a). Retrograd hämning av presynaptisk kalciuminflöde av endogena cannabinoider vid excitatoriska synapser på Purkinje-celler. Nervcell. 29(3):717-27
• Kreitzer AC, Regehr WG. (2001b) Cerebellär depolarisationsinducerad hämning av hämning medieras av endogena cannabinoider. J Neurosci. 15 okt;21(20):RC174.
• Matyas F, Yanovsky Y, Mackie K, Kelsch W, Misgeld U, Freund TF. (2006) Subcellulär lokalisering av typ 1 cannabinoidreceptorer i råttans basala ganglier. Neurovetenskap. 137(1):337-61.
• Ohno-Shosaku T, Tsubokawa H, Mizushima I, Yoneda N, Zimmer A, Kano M. (2002) Presynaptisk cannabinoidkänslighet är en viktig faktor för depolarisationsinducerad retrograd suppression vid hippocampus synapser. J Neurosci. 15 maj;22(10):3864-72.
• Ohno-Shosaku T, Maejima T, Kano M. (2001) Endogena cannabinoider förmedlar retrograda signaler från depolariserade postsynaptiska neuroner till presynaptiska terminaler. Nervcell. 29(3):729-38
• Pitler TA, Alger BE. (1992). Postsynaptisk spikavfyrning minskar synaptiska GABAA-svar i hippocampus pyramidala celler. J Neurosci. 12:4122-4132.
• Vincent P, Armstrong CM, Marty A. (1992) Hämmande synaptiska strömmar i råtta cerebellära Purkinje-celler: modulering genom postsynaptisk depolarisering. J. Physiol. 456, sid. 453–471.
• Wilson RI, Nicoll RA. (2001) Endogena cannabinoider förmedlar retrograd signalering vid hippocampus synapser. Natur. 410(6828):588-92

Vidare läsning

• Alger BE. (2002). Retrograd signalering i regleringen av synaptisk överföring: fokus på endocannabinoider. Prog Neurobiol. 68:247-286.
• Freund TF, Katona I, Piomelli D. (2003). Roll av endogena cannabinoider i synaptisk signalering. Physiol Rev. 83:1017-1066.