title: Elektrophysiologische in vivo und in vitro Eigenschaften von dopaminergen Mittelhirnneuronen im D2-Rezeptor-Überexpressionsmodell der Schizophrenie
title: Electrophysiological in vivo and in vitro properties of dopaminergic midbrain neurons in the D2 overexpression model of schizophrenia
Creators: name: Krabbe, Sabine
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: NR2B subunit, VTA
Striatum
Schizophrenie
NMDA receptor
D2 receptor
Naturwissenschaften
schizophrenia, dopamine
Dopamin
D2-Rezeptor, NR2B-Untereinheit
präfrontaler Cortex
VTA
NMDA-Rezeptor
Ventrale tegmentale Area

description: Schizophrenia is a complex
      psychiatric disorder, affecting about 1 % of the world
      population. Recently, functional imaging studies demonstrated
      an increase in the density and occupancy of dopamine (DA) D2
      receptors (D2R) in the striatum of untreated schizophrenia
      patients. This D2R overexpression is genetically determined
      in a subpopulation of the patients. Mice, which reversibly
      overexpress D2Rs selectively in striatal medium spiny neurons
      (D2R OE mice) exhibit deficits in working memory, behavioural
      flexibility and incentive motivation, and thus endophenotypes
      which resemble cognitive and negative symptoms of
      schizophrenia. Cognitive and motivational processes are
      modulated by DA release in the prefrontal cortex (PFC) and
      nucleus accumbens (NAc), respectively. Interestingly, the
      behavioural phenotypes of D2R OE mice are accompanied by an
      increased ex vivo DA tissue content and enhanced DA receptor
      sensitivity in PFC, indicating a dysfunction of the DA
      midbrain system in these mice. In this study, the D2R OE
      schizophrenia model was used to investigate the influence of
      an increased density of striatal postsynaptic D2Rs on the
      activity of DA midbrain neurons, which modulates DA release
      in PFC and NAc. For this purpose, the in vivo activity of PFC
      and NAc projecting DA neurons in the ventral tegmental area
      (VTA) was recorded. In addition, DA neurons in the substantia
      nigra (SN), which modulate voluntary movement by DA release
      in the dorsal striatum, were examined. In vivo single-unit
      recordings of midbrain neurons in anaesthetized D2R OE mice
      and control littermates were combined with juxtacellular
      single-cell labelling and immunohistochemical procedures to
      identify and localize DA neurons unequivocally. DA VTA
      neurons from D2R OE mice displayed significantly reduced mean
      firing rates and fired less spikes in phasic bursts. In
      contrast, the electrophysiological properties of DA SN
      neurons were unchanged. Switching off transgenic D2R
      overexpression in adulthood for five weeks normalized mean
      firing rates in DA VTA neurons from D2R OEs to control
      levels. However, the reduction of phasic burst activity
      persisted irreversibly. To investigate whether modifications
      of intrinsic cellular properties might be responsible for the
      observed in vivo activity changes of DA VTA neurons in D2R OE
      mice, projection-specific electrophysiological in vitro
      analyses of DA subpopulations were performed. Therefore, in
      vivo retrograde tracings were combined with in vitro patch
      clamp recordings in acute brain slices and subsequent
      immunohistochemical staining to confirm DA identity.
      Mesocortical and mesolimbic DA VTA neurons from D2R OEs
      displayed higher in vitro spontaneous firing rates compared
      to controls. This increased intrinsic excitability persisted
      after switching off transgenic overexpression in adulthood.
      Similar to the in vivo observations, the spontaneous in vitro
      activity of DA SN neurons did not differ between D2R OE and
      control mice. A detailed analysis of voltage-gated ion
      channels responsible for intrinsic membrane oscillations,
      which drive spontaneous DA neuron firing, did not reveal any
      differences between DA VTA neurons from D2R OEs and controls.
      However, spontaneous firing frequencies of mesolimbic DA VTA
      neurons were normalized to control levels in complete
      synaptic isolation by pharmacological blockade of NMDA
      receptors. Further, evoked NMDA receptor currents in
      mesolimbic DA VTA neurons from D2R OEs had slowed decay
      kinetics, which persisted after switching of transgenic
      overexpression. Bath application of the selective NR2B
      antagonist ifenprodil restored the slowed decay kinetics in
      neurons from D2R OE mice to control levels without affecting
      NMDA receptor currents in control animals. Indeed, NR2B
      containing NMDA receptors proved to be responsible for the
      increased in vitro pacemaker rates of mesolimbic DA VTA
      neurons from D2R OE mice, since the spontaneous activity was
      normalized to control levels by ifenprodil. Incentive
      motivation critically depends on tonic DA release in NAc.
      Thus, the transient decrease of DA VTA neuron mean firing
      rates in vivo during acute D2R overexpression might be
      correlated with the reversible motivational deficit in D2R OE
      mice. This effect is likely to be mediated by an altered
      afferent drive onto DA VTA neurons, since mesolimbic
      projecting DA neurons displayed identical in vitro pacemaker
      frequencies in complete synaptic isolation after NMDA
      receptor blockade. On the other hand, the observed persistent
      reduction in burst activity of DA VTA neurons might be
      responsible for the irreversible cognitive endophenotypes in
      D2R OE mice, since working memory performance relies on
      phasic DA release in PFC. Synaptic NMDA receptors are key
      players for cellular burst induction in DA VTA neurons. The
      atypical NMDA receptors with NR2B subunits in DA VTA neurons
      from D2R OE mice might indicate a developmental disorder of
      synaptic function, which could cause the irreversibly reduced
      burst activity. Further experiments aiming at an explicit
      definition of the molecular composition of NMDA receptors in
      DA VTA neurons from D2R OE mice could lead to the
      identification of new pharmacological targets for largely
      therapy resistant cognitive and negative symptoms in
      schizophrenia.
description: Schizophrenie ist eine komplexe
      psychiatrische Erkrankung, die weltweit etwa 1 % der
      Bevölkerung betrifft. Mit Hilfe von funktioneller Bildgebung
      konnte gezeigt werden, dass untherapierte
      Schizophrenie-Patienten im Striatum eine erhöhte Dichte und
      Besetzung des Dopamin (DA) D2-Rezeptors (D2R) aufweisen. In
      einer Untergruppe der Betroffenen ist dies genetisch bedingt.
      Mäuse mit einer reversiblen D2R-Überexpression selektiv in
      striatalen Projektionsneuronen (D2R OE Mäuse) weisen Defizite
      in Funktionen des Arbeitsgedächtnisses, der
      Verhaltensflexibilität und der Motivation auf, was kognitiven
      und negativen Endophänotypen der Schizophrenie entspricht.
      Kognitive Prozesse werden maßgeblich durch die Freisetzung
      von DA im präfrontalen Cortex (PFC) moduliert, motivationale
      Prozesse durch DA im Nucleus accumbens (NAc).
      Interessanterweise werden die Verhaltensauffälligkeiten im
      D2R OE Modell von einem erhöhten ex vivo DA Gewebegehalt und
      einer gesteigerten DA-Rezeptor Sensitivität im PFC begleitet,
      was auf eine Dysfunktion des DA Mittelhirnsystems hinweist.
      In der vorliegenden Arbeit wurde das D2R OE Mausmodell
      verwendet, um die Auswirkungen der erhöhten Dichte von
      striatalen postsynaptischen D2R auf die elektrische Aktivität
      der DA Mittelhirnneurone zu untersuchen, welche die DA
      Freisetzung in den Projektionsgebieten entscheidend bestimmt.
      Zusätzlich zu den DA Neuronen des ventralen tegmentalen
      Areals (VTA), die unter anderem in den PFC und NAc
      projizieren, wurden DA Neurone der Substantia nigra (SN)
      untersucht, die durch DA Freisetzung im dorsalen Striatum die
      Willkürmotorik modulieren. Zur Identifikation und exakten
      Lokalisation der DA Neurone wurden elektrophysiologische in
      vivo Einzelzellmessungen im ventralen Mittelhirn von
      anästhesierten Mäusen mit juxtazellulärem Labelling und
      immunhistochemischen Färbungen kombiniert. DA VTA Neurone der
      D2R OE Mäuse wiesen eine reduzierte mittlere Frequenz auf,
      sowie eine verminderte Burst-Aktivität. Die Eigenschaften der
      DA SN Neurone waren dagegen nicht verändert. Die geringere
      phasische Aktivität der DA VTA Zellen war auch noch nach
      fünfwöchigem Abschalten der transgenen D2R-Überexpression zu
      beobachten, während sich ihre tonische Aktivität wieder
      normalisierte. Um zu untersuchen, ob Veränderungen der
      intrinsischen zellulären Eigenschaften für die reduzierte in
      vivo Aktivität von DA VTA Neuronen der D2R OEs verantwortlich
      sind, wurden projektionsspezifische elektrophysiologische in
      vitro Analysen von DA Subpopulationen durchgeführt. Dieses
      wurde durch die Kombination von retrogradem in vivo Tracing,
      in vitro Patch-Clamp-Messungen und anschließender
      immunhistochemischer Identifikation des DA Phänotyps
      ermöglicht. Mesocorticale und mesolimbische DA VTA Neurone
      von D2R OE Mäusen wiesen im Vergleich zu Kontrolltieren in
      vitro eine signifikant erhöhte intrinsische
      Schrittmacheraktivität auf, welche auch nach fünfwöchigem
      Abschalten der transgenen D2R-Überexpression persistierte. Im
      Gegensatz dazu war die Spontanfrequenz der DA SN Neurone von
      D2R OEs auch in vitro unverändert. Eine detaillierte Analyse
      der Eigenschaften von spannungsabhängigen Ionenkanälen, die
      dem Schrittmacherrhythmus zugrunde liegen, lieferte keine
      Unterschiede zwischen DA VTA Neuronen von D2R OEs und
      Kontrollen. Allerdings konnte eine komplette synaptische
      Isolation durch pharmakologische Blockade von NMDA-Rezeptoren
      die erhöhte Frequenz von mesolimbischen DA VTA Neuronen der
      D2R OEs normalisieren. Evozierte NMDA-Rezeptor vermittelte
      Ströme in mesolimbischen DA VTA Neuronen von D2R OE Mäusen
      wiesen signifikant langsamere Decay-Kinetiken auf, die auch
      nach dem Abschalten der D2R-Überexpression erhalten blieben.
      Applikation des selektiven NR2B-Antagonisten Ifenprodil
      normalisierte diese langsameren Kinetiken in den Neuronen der
      D2R OEs, ohne die NMDA-Ströme in Kontrollzellen zu verändern.
      Da die Aktivität der mesolimbischen DA VTA Neurone von D2R
      OEs in Ifenprodil ebenfalls wieder Kontrollniveau erreichte,
      konnten diese NR2B-haltigen NMDA-Rezeptoren als Ursache für
      die erhöhte in vitro Spontanfrequenz identifiziert werden.
      Motivationsgesteuertes Verhalten wird entscheidend durch
      tonisch freigesetztes DA im NAc beeinflusst. Die transient
      verminderte mittlere in vivo Frequenz der DA VTA Neurone
      könnte daher für das ebenfalls reversible Motivationsdefizit
      der D2R OE Mäuse verantwortlich sein. Dieser Effekt wird
      vermutlich durch eine veränderte afferente Modulation der DA
      VTA Neurone unter akuter D2R-Überexpression hervorgerufen, da
      die intrinsische in vitro Aktivität bei
      NMDA-Rezeptor-Blockade und somit in kompletter synaptischer
      Isolation unverändert ist. Phasische DA Freisetzung im PFC
      durch Burst-Aktivität der DA VTA Neurone ist dagegen
      essentiell für die Funktion des Arbeitsgedächtnisses. Die
      irreversibel reduzierte phasische Aktivität der DA VTA
      Neurone könnte daher die ebenso persistierenden kognitiven
      Defizite der D2R OE Mäuse verursachen. In DA VTA Neuronen
      stellen synaptische NMDA-Rezeptoren die wichtigste zelluläre
      Komponente zur Burst-Induktion dar. Die hier nachgewiesenen
      atypischen NMDA-Rezeptoren mit NR2B-Untereinheit könnten ein
      Hinweis auf eine entwicklungsabhängige synaptische
      Dysfunktion in DA VTA Neuronen sein, welche das
      persistierende Burst-Defizit hervorrufen könnte. Weitere
      geplante Experimente zur Analyse der molekularen
      Zusammensetzung von NMDA-Rezeptoren in den DA VTA Neuronen
      von D2R OE Mäusen könnten somit neue Ansätze für
      pharmakologische Targets bei der Behandlung der bis heute
      weitgehend therapieresistenten negativen und kognitiven
      Symptome liefern.