Trans-ganglionic neurotransmission in the autonomic nervous system

In meiner Dissertationsarbeit habe ich die synaptische Transmission im oberen Halsganglion (superior cervical ganglion, SCG) in Mausen untersucht. Das SCG innerviert diverse Bereiche in Kopf und Hals und dient als Schaltstelle des sympathischen Nervensystems, wo nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) fur eine rasche exzitatorische Neurotransmission verantwortlich sind. Untersucht wurden Wildtyp- (WT) Mause und Knockout- (KO) Mause, bei denen gezielt die Gene ausgeschaltet wurden, welche fur die Untereinheiten α5, α7, β2 und β4 des nAChR kodieren. Konkret handelt es sich hier um α5KO, α5β2KO, α5β4KO, α5α7β2KO und α5α7β4KO Tiere. Heteromere nAChRs im SCG von WT Mausen bestehen aus den Untereinheiten α3β4 (55%), α3β4α5 (24%) und α3β4β2 (21%). α5β4KO Mause wuchsen langsamer heran, und ihre SCGs weisen morphologische Unterschiede auf, die auf eine verzogerte Reifung deuten. Wie durch Immunprazipitation (IP) bestimmt, findet man in diesem Genotyp nur 15% nAChRs, verglichen mit WT und α5β2KO Mausen. α5β4KO Mause exprimieren auserdem nur α3β2 heteromere Rezeptoren, die sich hinsichtlich ihrer biophysikalischen Eigenschaften deutlich von den Rezeptoren in WT und α5β2KO (die lediglich α3β4 heteromere Rezeptoren enthalten) unterscheiden, wie fruhere Zellkulturexperimente belegen. Dementsprechend sind die durch Acetylcholin (ACh) ausgelosten Strome in α5β4KO Mausen funfmal kleiner, sie fallen wahrend der Aktivierung durch ACh schneller ab, und sie desensitivieren bei chronischer Applikation von Nikotin bereits bei Konzentrationen, die zehnmal geringer als in WT oder α5β2KO Tieren sind. Ziel meiner Arbeit war, mittels extrazellularer Ableitungen vom efferenten Nerven (als compound action potential, CAP) sowie intrazellularer EPSP Aufzeichnungen, die transganglionare Neurotransmission im intakten SCG der erwahnten Genotypen, insbesondere aber in α5β4KO Mausen zu untersuchen. Aufgrund der sehr unterschiedlichen biochemischen und elektrophysiologischen Eigenschaften der nAChR in diesen Mausen hatten wir erwartet, dass sich auch Unterschiede in der synaptischen Transmission zeigen wurden. Die Versuche haben allerdings gezeigt, dass die Unterschiede vergleichsweise gering sind: supramaximale Reizungen erzeugten auch in α5β4KO Mausen CAPs mit vergleichbarer Amplitude, auch wenn fast doppelt so hohe Reizstarken zur Auslosung von Schwellenwert-CAPs im Vergleich zu WT oder α5β2KO notwendig waren. Durch den Vergleich von α5β2 Doppel KO mit α5 Einzel KO Tieren konnte ich die Auswirkung der α5 Untereinheit auf die Funktion von α3β4 Rezeptoren abschatzen. So war der Ganglienblocker Hexamethonium in Rezeptoren von Genotypen ohne α5 signifikant potenter als in α5 haltigen Rezeptoren. Modellrechnungen auf Basis dieser Beobachtungen zeigten, dass α5 haltige Rezeptoren sowohl in der Synapse des SCG als auch auf der Zelloberflache weit mehr verbreitet zu sein scheinen als unsere IP Experimente vermuten liesen. Demzufolge konnten α3β4α5 Rezeptoren der Zelloberflache 2 4 mal haufiger vorkommen als α3β4 Rezeptoren, wahrend unsere IPs auf ein umgekehrtes Verhaltnis deuteten, bei dem die α3β4 Rezeptoren die α3β4α5 Rezeptoren im Verhaltnis 3:1 ubertrafen. Im Gegensatz zu fruheren Beobachtungen im SCG von Ratten und Meerschweinchen konnte ich in keinem der getesteten Genotypen eine Langzeitpotenzierung nachweisen. Interessanterweise trat im WT eine paired pulse facilitation auf (verstarkte postsynaptische Antwort nach zweimaliger Reizung des prasynaptischen Eingangs), welche bei Fehlen der Untereinheiten α5 oder β4 nicht erfolgte. Intrazellulare EPSP Ableitungen lassen vermuten, dass das SCG in der Maus keine „strong inputs“ enthalt: Die synaptische Antwort war bei Neuronen, deren Membranpotential nicht durch Strominjektion manipuliert wurde, stets mit einem Aktionspotential kombiniert. Um somit EPSPs zu messen musste das Membranpotential durch Strominjektion auf -100 mV verringert werden. Diese Versuche zeigten keine signifikanten Unterschiede in den EPSP Amplituden der verschiedenen Genotypen. Allerdings fielen die EPSPs in WT oder α5β2KO Mausen im Vergleich zu α5β4KO Mausen mehr als doppelt so schnell ab. Zusammengefasst weisen meine Daten darauf hin, dass die synaptische Transmission im SCG mit einer grosen Zuverlassigkeit (high safety factor) arbeitet, und dass β2 (die klassische β Untereinheit des zentralen Nervensystems) β4 (die klassische β Untereinheit des autonomen Nervensystems) effizient ersetzen kann. Auserdem sprechen wir der akzessorischen Untereinheit α5 grosere modulatorische Fahigkeiten zu als bisher beschrieben, da sie nicht nur die Pharmakologie und Affinitat des nikotinischen Acetylcholinrezeptors beeinflusst, sondern auch fur die Kurzzeitplastizitat des SCG eine Rolle zu spielen scheint.