Mechanisms of spike timing-dependent LTP in CA1 region of the hippocampus induced with low repeat of coincident pre- and postsynaptic spiking
Creators: name: Cepeda-Prado, Efrain Augusto
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2019
Subjects: subject: Psychophysiologie
subject: 612

description: In the hippocampus, the consolidation of long-term associative memories occurs rapidly and requires few or even only one-trial presentation of a learning task, suggesting that the encoding of memories occurs very fast at the cellular level. Spike timing-dependent plasticity (STDP) is considered one of the most suitable models to investigate learning and memory processes in the brain at the cellular level. It consists of the repetitive temporal correlation between one excitatory postsynaptic potential (EPSP) and either a single or a burst of postsynaptic action potentials (AP or spikes). In this dissertation the actions of endogenous dopamine and BDNF/TrkB signaling in t-LTP at hippocampal Schaffer collateral (Sc)-CA1 synapses, using two novel different STDP paradigms that consist of only six repeats (6x) of either 1EPSP/1AP or 1EPSP/4AP were investigated. Overall, 6x 1:1 t-LTP is likely to have a presynaptic locus of expression and requires the activation of NMDA receptors (R) and L-type Ca2+ channels. This type of plasticity was antagonizing by the combination of both D1-like and D2-like dopamine receptor blockers. TrkB receptor seems to be also involved but not the BDNF release. In contrast, 6x 1:4 t-LTP has a postsynaptic expression locus triggering the trafficking of GluA2-lacking AMPARs into the membrane. However, it was unaffected by the presence of selective blockers for NMDAR, L-type Ca2+ channels, mGluR1 or mGluR5, but requires postsynaptic Ca2+ elevation. Activation of D2-like receptors showed to be critical for the induction of 6x 1:4 t-LTP but not BDNF/TrkB receptor signaling. Interestingly, STDP experiments using the same spike pattern but with a higher number of repeats (70x 1:1 and 35x 1:4) revealed a different outcome. T-LTP induced with 70x 1:1 relies on presynaptic mechanisms and requires only D1-like dopamine receptor but not TrkB receptor activation. However, 35x 1:4 t-LTP has postsynaptic locus expression and depends on BDNF/TrkB signaling. These two types of plasticity can be induced in the same cell, indicating that a single CA1 pyramidal neuron hosts multiple types of plasticity that can be triggered by the variation in the patterns and number of pre- and postsynaptic activation. These findings provide new insights into the processing properties and information storage at the single-cell level.
description: Im Hippocampus erfolgt die Konsolidierung von langanhaltenden assoziativen Gedächtnis schnell und bedarf nur wenigen oder nur einer einzigen Präsentation des Lernreizes. Folglich muss auch die Einspeicherung des Gedächtnisinhaltes auf zellulärer Ebene sehr schnell erfolgen. Die Spike timing-dependent plasticity (STDP) wird dabei als eines der besonders geeigneten Modelle zur Untersuchung zellulärer Grundlagen von Lern- und Gedächtnisvorgängen im Gehirn angesehen. STDP wird durch eine wiederholte, fast zeitgleiche Auslösung von einem erregenden postsynaptischen Potential (EPSP) und entweder, einem einzelnen bzw. multiplen postsynaptischen Aktionspotentialen (APs oder Spikes) induziert. Hier wird der Einfluss von endogenem Dopamin und BDNF/TrkB-Signalwegen auf die t-LTP an Schaffer Kollateral-CA1 Synapsen des Hippocampus untersucht. Dabei werden 2 verschiedene STDP Paradigmen mit jeweils 6 Wiederholungen von 1EPSP/1AP oder 1EPSP/4AP verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass das 6x 1:1 t-LTP höchstwahrscheinlich präsynaptisch exprimiert wird und dass dabei sowohl NMDA Rezeptoren als auch L-Typ Ca2+ Kanäle beteiligt sind. Diese Plastizitätsform kann durch eine Kombination von D1- und D2-ähnlichen Dopaminrezeptor-Antagonisten blockiert werden. Weiterhin wurde eine TrkB-Rezeptorbeteiligung in Abwesenheit von BDNF festgestellt. Im Gegensatz dazu hat das 6x 1:4 t-LTP einen postsynaptischen Expressionsort, der durch Einbau von GluA2-freien AMPA Rezeptoren in die Membran ausgelöst wird. Diese LTP ist unabhängig von NMDAR, L-Typ Ca2+ Kanäle, mGluR1 oder mGluR5, bedarf aber dennoch einer postsynaptischen Erhöhung des Ca2+ Levels. Die Aktivierung von D2-ähnlichen Rezeptoren ist für die Expression des 6x 1:4 t-LTP wichtig, während der BDNF/TrkB-Signalweg nicht aktiviert wird. Interessanterweise, wiesen STDP Experimente mit demselben Paarungsmuster aber höherer Anzahl von Wiederholungen (70x 1:1 und 35x 1:4) einen anderen molekularen Mechanismus auf. Die 70x 1:1 t-LTP hat zwar einen präsynaptischen Expressionsort, wird allerdings alleinig von D1-ähnlichen Rezeptoren ohne eine zusätzliche Beteiligung von BDNF oder TrkB Rezeptoren gesteuert. Die 35x 1:4 t-LTP hat einen postsynaptischen Expressionsort und ist abhängig vom BDNF/TrkB-Signalweg. Diese zwei Typen von Plastizität können in einer Zelle nacheinander ausgelöst werden, d.h. eine CA1-Pyramidenzelle kann verschiedene Plastizitätsformen ausprägen, die durch unterschiedliche Variationen von Stimulationsmustern und –wiederholungen von prä- und postsynaptischer Aktivierung ausgelöst werden. Diese Befunde lassen Rückschlüsse auf die Verarbeitung und Prozessierung von Gedächtnisinhalten auf dem Level einer Einzelzelle zu.