Udział połączeń szczelinowych w powstawaniu

PRACA ORYGINALNA
Udział połączeń szczelinowych
w powstawaniu rytmicznej aktywności
EEG formacji hipokampa in vivo
The role of gap junctions in the generation of hippocampal
rhythmic EEG activity in vivo
Renata Bocian, Anna Posłuszny, Tomasz Kowalczyk,
Henryk Gołębiewski, Barbara Eckersdorf, Jan Konopacki
Katedra Neurobiologii Uniwersytetu Łódzkiego
t Abstract
Gap junctions and theta rhythm
Introduction. The role of gap junctions (GJs) in the generation of theta rhythm in freely
moving cats was investigated in a present study.
Material and methods. Six adult cats were used in the present study. The animals were
prepared for the chronic experiments by implanting them with intracerebral recording electrodes and cannulae.
Results. Two GJs blockers, carbenoxolone and quinine, were administered both intraperitoneally and intrahippocampally. Used gap junctions blockers abolished (when intraperitoneally injected) or diminished (when intrahippocampally injected) spontaneous hippocampal theta rhythm. The inhibitory effect developed approximately 30 min after drugs administration and was found to be long lasting, but fully reversible.
Adres do korespondencji:
prof. dr hab. Jan Konopacki
Katedra Neurobiologii
Uniwersytetu Łódzkiego
ul. Rewolucji 1905 r. 66,
90–222 Łódź
tel.: +48 42 66 55 680
faks: +48 42 66 55 671
e-mail: [email protected]
ISSN 1641–6007
Sen 2008, Tom 8, Nr 1, 31–39
Copyright © 2008 Via Medica
Conclusions. Our results provide direct evidence for the contribution of electrical coupling
in mechanisms of neural synchrony underlying the generation of theta rhythm in vivo.
Sleep 2008, 8 (1), 31–39
Key words: theta rhythm, gap junctions, in vivo
t Wstęp
Prowadzone ostatnio badania pozwoliły na opisanie
jednego z mechanizmów, który na poziomie komórkowym
kontroluje powstawanie zsynchronizowanej aktywności
wielu komórek nerwowych [1–8]. Anatomicznym podłożem tego mechanizmu są wyspecjalizowane struktury
— synapsy elektryczne. Synapsy te, określane mianem połączeń szczelinowych (GJs, gap junctions), umożliwiając
przepływ prądów jonowych między komórkami, tworzą
system bezpośredniego i praktycznie natychmiastowego
komunikowania się neuronów. Ich występowanie wykazano w wielu strukturach ośrodkowego układu nerwowego (OUN) [3]. W formacji hipokampa (HPC, hippocam-
pus) stwierdzono obecność GJs w trzech obszarach:
w warstwach piramidowych pól CA1 i CA3 oraz
w warstwie ziarnistej zakrętu zębatego (DG, dentate gyrus) [9–14]. Co ciekawe, we wcześniejszych badaniach,
prowadzonych zarówno in vivo, jak i in vitro, wykazano,
że wymienione obszary pełnią funkcje wewnątrzhipokampalnych generatorów rytmu theta [15–20]. Wyniki doświadczeń przeprowadzanych w ostatnich latach wskazują, że synapsy elektryczne odgrywają kluczową rolę
w powstawaniu rytmicznych zjawisk elektroencefalograficznych (EEG), takich jak: aktywność epileptyczna HPC
[3, 8, 13, 21], rytm gamma [6, 22] oraz tak zwane szybkie
oscylacje (150–200 Hz) [7, 23].
www.sen.viamedica.pl
31
SEN
2008, Tom 8, Nr 1
Rycina 1. Schemat przedstawia lokalizację elektrody rejestrującej oraz kaniuli wodzącej zaimplantowanych chronicznie w mózgu kota (Fr. 4
— płaszczyzna frontalna; wg [27])
Mimo istnienia bezpośrednich związków synaps elektrycznych z procesami synchronizacji wyładowań komórkowych [3, 6, 8, 24] nie ma, jak dotychczas, przekonujących dowodów na to, że synapsy elektryczne uczestniczą
także w generowaniu hipokampalnego rytmu theta. Przeciwnie, Bland i wsp. [25] wykazali w doświadczeniach
prowadzonych na swobodnie poruszających się szczurach,
że bloker GJs — halotan, stosowany w dawkach anestetycznych, nie znosi rytmu theta rejestrowanego w hipokampie. Jednak autorzy tego artykułu we wcześniejszych
badaniach in vitro zarejestrowali zanik cholinergicznie
wywołanego rytmu theta w następstwie podania innych
blokerów synaps elektrycznych — karbenoksolonu i chininy [26]. Wyniki tych badań wskazują, że w zastosowanych
przez autorów warunkach — indukowanego pozaustrojowo rytmu theta — czynność synaps elektrycznych jest niezbędna do regulowania procesów synchronizacji zachodzących w hipokampie. Odmienne wyniki przeprowadzonych
wcześniej badań [25, 26] mogą być następstwem zastosowania różnych modeli doświadczalnych (model in vitro vs.
model in vivo), odmiennego mechanizmu przenikania zastosowanych blokerów GJs do tkanki nerwowej (narkoza
wziewna vs. perfuzja skrawków roztworami blokerów),
a także zastosowania innych blokerów synaps elektrycznych
(halotan vs. karbenoksolon lub chinina). Ograniczone piśmiennictwo oraz niejednoznaczne wyniki doświadczeń
dotyczących udziału GJs w powstawaniu rytmu theta zachęcają do dalszej analizy tego problemu.
32
Celem opisywanych badań przeprowadzonych w warunkach in vivo, na modelu swobodnie poruszającego
się kota, było zbadanie wpływu iniekcji dwóch blokerów synaps elektrycznych — karbenoksolonu i chininy
— na spontaniczny rytm theta rejestrowany z formacji
hipokampa.
t Materiał i metody
Doświadczenia przeprowadzono na 6 kotach obojga
płci (badania zgodne z dyrektywą 86/609/EEC; opinia
Lokalnej Komisji Bioetycznej w Łodzi nr L/BD/276),
o masie ciała 2,5–3,0 kg. Wszystkim zwierzętom implantowano jednostronnie, tuż nad lewym hipokampem, kaniulę wodzącą (Fr = 4,0; L = 4,5; H = +9,0) [27] oraz,
również lewostronnie, dwubiegunową elektrodę rejestracyjną (Fr = 4,0; L = 5,5; H = +7,0) (ryc. 1). Szczegóły
dotyczące operacji oraz warunków przeprowadzania doświadczeń opisano wcześniej [28, 29]. Po upływie około
2 tygodni od zabiegu przystąpiono do badań.
W pierwszej serii doświadczeń po dokonaniu zapisu hipokampalnego EEG (zapis kontrolny trwający 120 s) podano dootrzewnowo karbenoksolon oraz chininę, ponieważ oba
związki wykazują zdolność przenikania przez barierę krew–
–mózg [8, 30, 31]. Blokery synaps elektrycznych podawano
w dawce 30 mg/kg mc. ustalonej na podstawie wcześniejszych badań pilotażowych. Wpływ dootrzewnowych iniekcji karbenoksolonu i chininy (rozpuszczonych w 2 ml wody
destylowanej) na parametry rytmu theta badano w następu-
www.sen.viamedica.pl
Renata Bocian i wsp., Połączenia szczelinowe a rytm theta
jących poiniekcyjnych sekwencjach czasowych: 15, 30, 60
minut oraz 2, 4, 6, 8, 10, 12 i 24 godzin.
W drugiej serii doświadczeń karbenoksolon i chininę
podawano ośrodkowo, bezpośrednio do formacji hipokampa. Doświadczenia te przeprowadzono w celu wyeliminowania możliwych niespecyficznych efektów blokerów
GJs wprowadzanych obwodowo. Zarówno karbenoksolon,
jak i chinina podawane były do HPC za pomocą mikroiniektora (E. Zimmermann, Leipzig, Germany) w dawce
30 µg i objętości 1 µl (dawka ustalona na podstawie wcześniejszych badań pilotażowych). Wpływ dohipokampalnych iniekcji obu blokerów badano w następujących poiniekcyjnych sekwencjach czasowych: 15, 30, 60 minut
oraz 2, 4, 6, 8, 10 i 12 godzin.
Po zakończeniu obu cykli doświadczeń zarejestrowaną
aktywność EEG analizowano przy użyciu programu komputerowego Spike 2 (Cambridge Electronic Designe). Studwudziestosekundowe fragmenty zapisu spontanicznej
aktywności dzielono automatycznie na 2-sekundowe odcinki. Następnie każdy z fragmentów zapisu poddawano
analizie opartej na algorytmie szybkiej transformaty Fouriera (FFT, fast Fourier transform) w celu określenia
wartości dominującej częstotliwości oraz mocy pasma
dominującej częstotliwości w badanych odcinkach zapisu. Amplitudę rejestrowanego rytmu odczytywano bezpośrednio z analogowego zapisu sygnału, na podstawie
kalibracji osi współrzędnych.
Średnie wartości trzech badanych parametrów rejestrowanego rytmu theta — częstotliwości, amplitudy oraz
mocy — wyznaczone w warunkach kontrolnych oraz
w poszczególnych sekwencjach czasowych po dootrzewnowych lub ośrodkowych iniekcjach każdego z zastosowanych blokerów GJs, poddawano jednoczynnikowej analizie wariancji (Kruskal-Wallis ANOVA), a następnie testowi U Manna-Whitneya (Statistica 6.0).
t Wyniki
U wszystkich badanych kotów spontaniczna aktywność polowa rejestrowana z HPC składała się z fragmentów aktywności nieregularnej poprzedzielanych epizodami rytmu theta. Przykładowe zapisy analogowe rytmu
theta zarejestrowanego w warunkach kontrolnych przedstawiono na rycinach 2 i 3.
W pierwszym cyklu badań dootrzewnowe iniekcje
zarówno karbenoksolonu, jak i chininy nie zmieniały
ogólnego zachowania zwierząt. Powodowały one natomiast statystycznie istotne obniżenie amplitudy i mocy
rytmu theta rejestrowanego z HPC (ryc. 2A, 3A, 4B–C,
5B–C). Efekt ten pojawił się po 30 minutach od iniekcji,
a po około 2 godzinach aktywność rytmiczna została całkowicie wyeliminowana z zapisu EEG. Spontanicznie
generowany rytm theta pojawiał się dopiero po 8 godzinach. Amplituda oraz moc rejestrowanej aktywności
stopniowo powracały do wartości kontrolnych, osiągając je 24 godziny po iniekcji. W przeciwieństwie do opi-
SEN
sanych wyżej parametrów częstotliwość rejestrowanego rytmu theta pozostawała na poziomie statystycznie
niezmienionym (kontrolnym) przez cały czas trwania
doświadczeń (ryc. 2A, 3A, 4A, 5A).
W drugim cyklu badań dohipokampalne mikroiniekcje
zarówno karbenoksolonu, jak i chininy wywoływały statystycznie istotne obniżenie amplitudy i mocy rytmu theta (ryc.
2B, 3B, 4B–C, 5B–C). Efekt ten obserwowano 30 minut po
iniekcji. Nigdy nie stwierdzano jednak całkowitego zaniku
aktywności rytmicznej. Obniżenie amplitudy i mocy rytmu
utrzymywało się przez około 9 godzin. Następnie oba parametry aktywności rytmicznej stopniowo powracały do wartości kontrolnych, osiągając je 12 godzin po mikroiniekcji
obu blokerów GJs. W przeciwieństwie do opisanych wyżej
parametrów częstotliwość rejestrowanego rytmu theta pozostawała na statystycznie niezmienionym (kontrolnym)
poziomie przez cały czas doświadczeń (ryc. 2A, 3A, 4A, 5A).
Jednostronne mikroiniekcje 1,0 µl soli fizjologicznej
(rozpuszczalnika obu blokerów synaps elektrycznych) do
formacji hipokampa nie wpływały ani na rejestrowaną
lokalnie aktywność EEG, ani na zachowanie kotów (dane
niezamieszczone).
t Dyskusja
Udział synaps elektrycznych w ośrodkowych mechanizmach synchronizacji i oscylacji był w ostatniej dekadzie przedmiotem wielu badań. Większość z nich prowadzono na preparatach skrawków mózgowych, in vitro [5–7, 11, 23, 26, 32]. Z jednej strony, technikę in
vitro stosuje się szeroko ze względu na zalety nieosiągalne w modelu in vivo, między innymi: szybkie przygotowanie preparatów, stabilność mechaniczną, łatwą
i precyzyjną kontrolę środowiska zewnątrzkomórkowego czy bezpośrednią kontrolę wzrokową badanej tkanki. Z drugiej strony, preparaty mózgowe in vitro są pozbawione impulsacji z innych obszarów mózgowia, która może mieć decydujące znaczenie dla ostatecznego
stanu czynnościowego badanej struktury mózgu. Konieczne jest zatem weryfikowanie wyników badań prowadzonych w warunkach pozaustrojowych na modelach
in vivo. Dane uzyskane w badaniach in vitro, wskazujące na bezpośredni udział synaps elektrycznych w generowaniu różnego rodzaju aktywności oscylacyjnych,
w tym rytmu theta, nie zostały dotąd potwierdzone na
modelach in vivo. Prawdopodobną przyczyną tego stanu rzeczy było ryzyko wywołania przez blokery synaps
elektrycznych efektu letalnego [33, 34]. W związku
z tym w doświadczeniach pilotażowych (wyniki nieprzedstawione), stosując różne dootrzewnowe dawki
karbenoksolonu oraz chininy, autorzy określili optymalne stężenia obu blokerów GJs. Do dalszych badań wybrano dawki wywołujące powtarzalny wpływ na generowany spontanicznie rytm theta, niepowodujące przy
tym zaburzeń wegetatywnych czy też zmian aktywności motorycznej zwierząt. Podobną procedurę zastoso-
www.sen.viamedica.pl
33
SEN
2008, Tom 8, Nr 1
Rycina 2. Wpływ dootrzewnowych (A) oraz dohipokampalnych (B) mikroiniekcji karbenoksolonu na spontaniczny hipokampalny rytm theta;
na histogramach przedstawiono szybkie transformaty Fouriera (FFT, fast Fourier transform) z 2-sekundowych odcinków zapisu kontrolnego
EEG oraz wybranych sekwencji czasowych po iniekcji karbenoksolonu; w prawej części każdego histogramu 2-sekundowe fragmenty analogowego zapisu aktywności EEG
wano przy doborze dawek blokerów synaps elektrycznych użytych w cyklu badawczym, w którym karbenoksolon i chinina podawano dohipokampalnie. W tym
przypadku bezpośrednie iniekcje ośrodkowe obu związków pozwoliły na wyeliminowanie mogących się poja-
34
wiać niespecyficznych efektów dootrzewnowego podania karbenoksolonu lub chininy.
Nie zarejestrowano znaczących różnic w dynamice
procesu hamowania hipokampalnego rytmu theta wywoływanego przez karbenoksolon czy chininę. Otrzymane
www.sen.viamedica.pl
Renata Bocian i wsp., Połączenia szczelinowe a rytm theta
SEN
Rycina 3. Wpływ dootrzewnowych (A) oraz dohipokampalnych (B) mikroiniekcji chininy na spontaniczny hipokampalny rytm theta; na
histogramach przedstawiono szybkie transformaty Fouriera (FFT, fast Fourier transform) z 2-sekundowych odcinków zapisu kontrolnego
EEG oraz wybranych sekwencji czasowych po iniekcji karbenoksolonu; w prawej części każdego histogramu 2-sekundowe fragmenty analogowego zapisu aktywności EEG
wyniki wskazują jednak na korelację między sposobem
podawania blokerów synaps elektrycznych a stopniem hamowania aktywności rytmicznej. Z jednej strony, następstwem obwodowej iniekcji zarówno karbenoksolonu, jak
i chininy, zawsze było całkowite zniesienie rytmu theta
w hipokampalnym EEG. Z drugiej strony, bezpośrednie,
dohipokampalne iniekcje blokerów GJs nigdy nie powodowały całkowitego hamowania aktywności rytmicznej.
Prowadziły jedynie do obniżenia amplitudy i mocy sygnału EEG w paśmie theta (por. ryc. 2–5). Bezpośrednią przy-
www.sen.viamedica.pl
35
SEN
36
2008, Tom 8, Nr 1
Rycina 4. Średnie wartości (± SE): A — częstotliwości, B — amplitu-
Rycina 5. Średnie wartości (± SE) A — częstotliwości, B — amplitu-
dy, C — mocy, spontanicznego rytmu theta rejestrowanego w ra-
dy, C — mocy, spontanicznego rytmu theta rejestrowanego w ra-
mach pomiarów kontrolnych (K) oraz w kolejnych sekwencjach cza-
mach pomiarów kontrolnych (K) oraz w kolejnych sekwencjach cza-
sowych po dootrzewnowych (szare linie) oraz dohipokampalnych
sowych po dootrzewnowych (szare linie) oraz dohipokampalnych
(czarne linie) mikroiniekcjach karbenoksolonu; analiza statystyczna:
(czarne linie) mikroiniekcjach chininy; analiza statystyczna: Kruskal-
Kruskal-Wallis ANOVA oraz test U Manna-Whitneya (*p < 0,05;
Wallis ANOVA oraz test U Manna-Whitneya (*p < 0,05; **p < 0,01;
**p < 0,01; ***p < 0,001 w porównaniu z wartościami kontrolnymi)
***p < 0,001 w porównaniu z wartościami kontrolnymi)
czyną różnic w zakresie stopnia hamowania rytmu theta
po iniekcjach obwodowych i ośrodkowych jest prawdopodobnie różny zasięg oddziaływania karbenoksolonu
i chininy w obrębie ośrodkowego układu nerwowego
(OUN). Istotny jest fakt, że oba blokery GJs, karbenoksolon i chinina, pokonują barierę krew–mózg [8, 30, 31].
www.sen.viamedica.pl
Renata Bocian i wsp., Połączenia szczelinowe a rytm theta
W przypadku lokalnych iniekcji ośrodkowych obszar oddziaływania karbenoksolonu i chininy ogranicza się do
formacji hipokampa lub nawet tylko do synaps elektrycznych zlokalizowanych w sąsiedztwie miejsca iniekcji [35].
Dlatego wpływ blokerów GJs na rytm theta był słabszy
i sprowadzał się jedynie do około 50-procentowego zmniejszenia amplitudy i mocy rytmu. W przypadku iniekcji obwodowych zasięg oddziaływania blokerów GJs jest bez wątpienia większy. W tym przypadku odwracalny efekt pełnego blokowania rytmu theta mógł być następstwem oddziaływania blokerów na wiele struktur stanowiących neuronalny substrat ośrodkowego wstępującego systemu synchronizującego [16, 36].
W badaniach autorów zaobserwowano istotne różnice w dynamice zmian podstawowych parametrów rytmu
theta (częstotliwość vs. amplituda i moc), zarówno po
obwodowych, jak i ośrodkowych iniekcjach karbenoksolonu i chininy. Częstotliwość rytmu nie zmieniała się zasadniczo podczas doświadczenia i osiągała wartości kontrolne już w pierwszych epizodach powracającego rytmu
theta. Natomiast wartości amplitudy i mocy sygnału
w paśmie theta wzrastały stopniowo w kolejnych poiniekcyjnych przedziałach czasowych. Interesujący wydaje się
fakt, że podobny wzorzec zmian parametrów rytmu theta
zarejestrowano we wcześniejszych badaniach autorów
przeprowadzonych na modelu swobodnie poruszającego
się kota [28, 29]. W doświadczeniach tych iniekcje prokainy do tylnego podwzgórza lub obszaru przyśrodkowej
przegrody, po wcześniejszym zniesieniu rytmu theta, wywoływały stopniowy wzrost amplitudy oraz mocy, nie
zmieniając jednak częstotliwości rytmu. Na podstawie tych
obserwacji można jedynie stwierdzić, że obszary tylnego
podwzgórza i przegrody nie biorą udziału w kodowaniu
częstotliwości rytmu theta rejestrowanego z HPC. Dokładna lokalizacja substratu neuronalnego kodującego częstotliwość rytmu pozostaje jednak kwestią otwartą i zagadnienie to wymaga dalszych badań.
We wcześniejszych badaniach autorów przeprowadzonych na skrawkach HPC, po zablokowaniu synaps elektrycznych zarówno karbenoksolonem, jak i chininą, nigdy nie zaobserwowano pełnego powrotu cholinergicznie indukowanego rytmu theta ani towarzyszącej mu aktywności pojedynczych neuronów [26]. Po 3 godzinach
płukania preparatów sztucznym płynem mózgowo-rdzeniowym wszystkie skrawki, preinkubowane wcześniej
karbenoksolonem lub chininą, generowały jedynie nieregularną aktywność epileptyczną, która nigdy nie uległa
zsynchronizowaniu w rytm theta. Autorzy sugerowali
(podobnie jak Ross i wsp. [13]), że przyczyną braku powrotu funkcji formacji hipokampa in vitro może być uszkadzający wpływ blokerów synaps elektrycznych na mechanizmy synchronizacji czy też tkankę nerwową per se.
W przeciwieństwie do modelu in vitro model swobodnie
poruszających się zwierząt umożliwia nieograniczone
SEN
w czasie monitorowanie zmian aktywności EEG. W opisywanych badaniach autorzy wykazali, że amplituda i moc
powracającego z niezmienioną częstotliwością rytmu theta osiągają wartości kontrolne nie wcześniej niż w 12.
godzinie po iniekcji karbenoksolonu i chininy. Wyniki te
wskazują, że efekt działania blokerów synaps elektrycznych na rytm theta w HPC jest procesem długotrwałym,
ale odwracalnym.
W tych doświadczeniach hamujący wpływ karbenoksolonu i chininy na hipokampalny rytm theta ujawniał
się po 30 minutach od iniekcji, a maksymalne obniżenie
amplitudy oraz mocy (ośrodkowe iniekcje blokerów) lub
całkowite zablokowanie rytmu (iniekcje obwodowe) następowały po 2 godzinach. Podobne opóźnienie wpływu
blokującego na indukowany karbacholem rytm theta odnotowano we wcześniejszych doświadczeniach autorów
przeprowadzonych z użyciem skrawków formacji hipokampa in vitro [26]. Opóźnienie pojawienia się efektów
opisano także w przypadku blokowania przez karbenoksolon synchronicznych postsynaptycznych potencjałów
hamujących (IPSP, inhibitory post synaptic potential)
w polu CA3c hipokampa [24] oraz znoszenia aktywności
epileptycznej w obszarze CA1 skrawka HPC [13]. Przyczyna, obserwowanego zarówno in vivo, jak i in vitro, zjawiska opóźnienia nie jest dokładnie znana. Sugeruje się,
że efekt ten może wiązać się z długotrwałymi zmianami
w procesach fosforylacji i agregacji podjednostek białkowych tworzących koneksony [37].
Jak wspomniano wcześniej, Bland i wsp. [25] w eksperymentach in vivo wykazali, że halotan, który jest również blokerem synaps elektrycznych, nie tylko nie blokował rytmu theta, lecz przeciwnie — podawany w dawkach subanestetycznych nasilał generowaną aktywność
rytmiczną. Co więcej, zwiększenie dawek halotanu nie
powodowało zaniku hipokampalnego rytmu theta. Ponieważ działanie halotanu jest złożone i obejmuje nie
tylko efekty synaptyczne, ale też interakcje z błoną komórkową, można sądzić, że wypadkowa oddziaływania
halotanu w OUN zależy od dawki. Ten punkt widzenia
potwierdzałyby wcześniejsze obserwacje Nishikawy
i MacIvera [38], którzy wykazali, że anestetyczne dawki
halotanu mieszczą się w zakresie 0,2–0,35 mM, natomiast stężenie wymagane do blokowania synaps elektrycznych wynosi 4–10 mM.
Karbenoksolon, oprócz zdolności blokowania synaps
elektrycznych, jest także agonistą receptorów mineralokortykoidowych [11]. Obecność tych receptorów stwierdzono również w formacji hipokampa [11]. Ich aktywacja
karbenoksolonem obniża próg występowania aktywności
epileptycznej indukowanej kwasem kainowym [39] oraz
zmniejsza adaptację komórek do warunków długotrwałego pobudzenia polegającą na zmniejszaniu częstotliwości wyładowań komórkowych [11]. Murphy i wsp. [40]
wykazali, że aktywacja receptorów mineralokortykoido-
www.sen.viamedica.pl
37
SEN
2008, Tom 8, Nr 1
wych prowadzi także do wzrostu pobudliwości neuronów,
w wyniku którego następuje zwiększenie amplitudy rytmu theta. Dane te są sprzeczne z efektem wywołanym
przez karbenoksolon w opisywanych w niniejszej pracy
doświadczeniach autorów. Co więcej, w eksperymentach
in vitro, wykonanych przez Rossa i wsp. [13], hamujący
wpływ karbenoksolonu na aktywność erupcyjną neuronów HPC stwierdzono także w obecności antagonisty receptorów mineralokortykoidowych — spironolaktonu.
Wydaje się zatem, że działanie hamujące karbenoksolonu na hipokampalny rytm theta rejestrowany u swobod-
nie poruszających się kotów nie wiąże się z aktywacją
receptorów mineralokortykoidowych.
t Wnioski
Podsumowując, wyniki przedstawionych doświadczeń
wskazują na udział synaps elektrycznych w procesach synchronizacji i oscylacji w obrębie formacji hipokampa in vivo.
Autorzy dostarczyli zatem pierwszego bezpośredniego dowodu wskazującego, że na poziomie komórkowym synapsy
elektryczne stanowią substrat neuronalny, niezwykle istotny dla generowania rytmu theta w hipokampie u kotów.
t Streszczenie
Połączenia szczelinowe a rytm theta
Wstęp. Autorzy badali rolę połączeń szczelinowych (synaps elektrycznych) formacji hipokampa w generowaniu spontanicznego, lokalnie rejestrowanego rytmu theta u swobodnie poruszających się kotów.
Materiał i metody. Do badań użyto 6 kotów. Zwierzęta były przygotowane do doświadczeń chronicznych z zaimplantowanymi domózgowo elektrodami rejestrującymi i kaniulami.
Wyniki. Iniekcje dwóch blokerów synaps elektrycznych, karbenoksolonu lub chininy, blokowały rytm theta (iniekcje obwodowe) lub obniżały jego amplitudę i moc (iniekcje dohipokampalne). Hamujący wpływ ujawnił się 30 minut po podaniu obu
blokerów połączeń szczelinowych i był obserwowany przez około 8 godzin od podania każdego z zastosowanych środków
farmakologicznych. Następnie parametry aktywności rytmicznej stopniowo wracały do wartości kontrolnych.
Wnioski. Uzyskane wyniki wskazują na istotny udział synaps elektrycznych formacji hipokampa w mechanizmach synchronizacji leżących u podstaw generowania rytmu theta.
Sen 2008, 8 (1), 31–39
Słowa kluczowe: rytm theta, synapsy elektryczne, in vivo
t Piśmiennictwo
9.
1. Bukauskas F.F., Weingart R. Temperature dependence of gap junction properties in neonatal rat heart cells. Pflugers Arch. 1993;
423: 133–139.
2. Chen Y.H., de Haan R.L. Temperature dependence of embryonic
cardiac gap junction conductance and channel kinetics. J. Membr.
Biol. 1993; 136: 125–134.
3. Carlen P.L., Skinner F., Zhang L., Naus C., Kushnir M., PerezVelazquez J.L. The role of gap junctions in seizures. Brain Res.
Brain Res. Rev. 2000; 32: 235–241.
4. Yang Q., Michelson H.B. Gap junctions synchronize the firing of
inhibitory interneurons in guinea pig hippocampus. Brain Res.
2001; 907: 139–143.
5. Jahromi S.S., Wentland K., Piran S., Carlen P.L. Anticonvulsant
actions of gap junctional blockers in an in vitro seizure model.
J. Neurophysiol. 2002; 88: 1893–1902.
6. Traub R.D., Kopell N., Bibbig A., Buhl E.H., LeBeau F.E.N.,
Whittington M.A. Gap junctions between interneuron dendrites
can enhance synchrony of gamma oscillations in distributed
networks. J. Neurosci. 2001; 21: 9478–9486.
7. Traub R.D., Whittington M.A., Buhl E.H. i wsp. A possible role for
gap junctions in generation of very fast EEG oscillations preceding the onset of, and perhaps initiating, seizures. Epilepsia 2001;
42: 153–170.
8. Traub R.D., Draguhn A., Whittington M.A. i wsp. Axonal gap junctions between principal neurons: a novel source of network oscillations, and perhaps epileptogenesis. Rev. Neurosci. 2002; 13: 1–30.
38
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
MacVicar B.A., Dudek F.E. Electronic coupling between pyramidal cells: a direct demonstration in rat hippocampal slices. Science 1981; 213: 782–785.
Shiosaka S., Yamamoto T., Hertzberg E.L., Nagy J.I. Gap junction
protein in rat hippocampus: correlative light and electron microscope immunohistochemical localization. J. Comp. Neurol. 1989;
281: 282–297.
Joels M., de Kloet E.R. Mineralocorticoid receptor-mediated changes in membrane properties of rat CA1 pyramidal neurons in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990; 87: 4495–4498.
Nunez A., Garcia-Austt E., Buno W. In vivo electrophysiological
analysis of lucifer yellow-coupled hippocampal pyramids.
Exp. Neurol. 1990; 108: 76–82.
Ross F.M., Gwyn P., Spanswick D., Davies S.N. Carbenoxolone depresses spontaneous epileptiform activity in the CA1
region of rat hippocampal slices. Neuroscience 2000; 100:
789–796.
Mercer A., Bannister A.P, Thomas A.M. Electrical coupling between pyramidal cells in adult cortical regions. Brain Cell Biol.
2006; 35: 1559–7105.
Bland B.H. The physiology and pharmacology of hippocampal
formation theta rhythms. Prog. Neurobiol. 1986; 26: 1–54.
Bland B.H., Colom L.V. Extrinsic and intrinsic properties underlying oscillation and synchrony in limbic cortex. Prog. Neurobiol.1993; 41: 157–208.
Konopacki J. Development of oscillatory activity in the limbic
cortex in vitro. Acta Neurobiol. Exp. 1996; 56: 407–421.
www.sen.viamedica.pl
Renata Bocian i wsp., Połączenia szczelinowe a rytm theta
18. Konopacki J. Theta-like activity in the limbic cortex in vitro.
Neurosci. Biobehav. Rev. 1998; 22: 311–323.
19. Fellous J.M., Sejnowski T.J. Cholinergic induction of oscillations
in the hippocampal slice in the slow (0,5–2 Hz), theta
(5–12 Hz), and gamma (35–70 Hz) bands. Hippocampus 2000;
10: 187–197.
20. Konopacki J., Gołębiewski H., Eckersdorf B., Kowalczyk T., Bocian R. In vitro recorded theta-like activity in the limbic cortex:
comparison with spontaneous theta and epileptiform discharges.
Acta Neurobiol. Exp. 2000; 60: 67–85.
21. Perez-Velazquez J.L., Valiante T.A., Carlen P.L. Modulation of gap
junctional mechanisms during calcium-free induced field burst
activity: a possible role for electronic coupling in epileptogenesis.
J. Neurosci. 1994; 14: 4308–4317.
22. Uusisaari M., Smirnov S., Voipio J., Kaila K. Spontaneous epileptiform activity mediated by GABAA receptors and gap junctions
in the rat hippocampal slice following long-term exposure to
GABAB antagonists. Neuropharmacology 2002; 43: 563–572.
23. Draguhn A., Traub R.D., Schmitz D., Jefferys J.G.R. Electrical coupling underlies high-frequency oscillations in the hippocampus
in vitro. Nature 1998; 394: 189–192.
24. Valiante T.A., Perez Velazquez J.L., Jahromi S.S., Carlen P.L. Coupling potentials in CA1 neurons during calcium-free-induced
field burst activity. J. Neurosci. 1995; 15: 6946–6956.
25. Bland B.H., Bland C.E., Colom L.V. i wsp. Effect of halothane on
type 2 immobility-related hippocampal theta field activity and
theta-on/theta-off cell discharges. Hippocampus 2003; 13: 38–47.
26. Konopacki J., Kowalczyk T., Gołębiewski H. Electrical coupling
underlies theta oscillations recorded in hippocampal formation
slices. Brain Res. 2004; 1019: 270–274.
27. Jasper H., Ajmone-Marsan C.A. A stereotaxic atlas of the diencephalon of the cat. National Research Council of Canada, Ottawa 1954.
28. Gołębiewski H., Eckersdorf B., Konopacki J. Septal cholinegic
mediation of hipocampal theta in the cat. Brain Res. Bull. 2002;
58: 323–335.
29. Bocian R., Konopacki J. The effect of posterior hypothalamic injection of cholinergic agents on hippocampal formation theta in
freely moving cat. Brain Res. Bull. 2004; 63: 283–294.
30. Welberg L.A., Seckl J.R., Holmes M.C. Inhibition of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase, the foeto-placental barrier to maternal
SEN
glucocorticoides, permanently programs amygdala GR mRNA
expression and anxiety-like behaviour in the offspring. Eur.
J. Neurosci. 2000; 12: 1047–1054.
31. Mikov M., Kevresan S., Kuhajda K., Jakovljevic V., Vasovic V.
3Alfa, 7alpha-dihydroxy-12–oxo-5beta-cholanate as blood-brain
barrier permeator. Pol. J. Pharmacol. 2004; 56: 367–371.
32. de Curtis M., Manfredi A., Biella G. Activity-dependent pH shifts
and periodic recurrence of spontaneous interictal spikes in
a model focal epileptogenesis. J. Neurosci. 1998; 18: 7543–7551.
33. Rodriguez-Sinovas A., Garcia-Dorado D., Ruiz-Meana M.,
Soler-Soler J. Enhanced effect of gap junction uncouplers on macroscopic electrical properties of reperfused myocardium.
J. Physiol. 2004; 559: 245–257.
34. Cascio W.E., Yang H., Muller-Borer B.J., Johnson T.A. Ischemiainduced arrhythmia: the role of connexins, gap junctions, and
attendant changes in impulse propagation. J. Electrocardiol. 2005;
38: 55–59.
35. McNaughton N., Logan B., Panickar K.S. i wsp. Contribution of
synapses in the medial supramammillary nucleus to the frequency of hippocampal theta rhythm in the freely moving rats.
Hippocampus 1995; 5: 534–545.
36. Bland B.H., Oddie S.D. Theta band oscillation and synchrony in
the hippocampal formation and associated structures: the case
for its role in sensorimotor integration. Behav. Brain Res. 2001;
127: 119–136.
37. Spray D.C., Rozental R., Srinivas M. Prospects of rational development of pharmacological gap junction channel blockers. Curr.
Drug Targets 2002; 3: 455–464.
38. Nishikawa K., MacIver M.B. Membrane and synaptic actions of
halothane on rat hippocampal pyramidal neurons and inhibitory
interneurons. J. Neurosci. 2000; 15: 5915–5923.
39. Roberts A.J., Keith L.D. Mineralocorticoid receptors mediate the
enhancing effects of corticosterone on convulsion susceptibility
in mice. J. Pharmacol. Exp. Ther. 1994; 270: 505–511.
40. Murphy D., Costall B., Smythe J.W. Regulation of hippocampal
theta activity by corticosterone: opposing functions of mineralocorticoid and glucocorticoid receptors. Brain Res. Bull. 1998; 45:
631–635.
www.sen.viamedica.pl
39