Electrophysiological characterization of surviving dopaminergic neurons in a mouse model of Parkinsonʼs disease

  • The midbrain DA system comprising dopamine (DA) neurons of the substantia nigra (SN) and the ventral tegmental area (VTA) is involved in various brain functions, including voluntary movement and the encoding and prediction of behaviorally relevant stimuli. In Parkinsonʼs disease (PD), a progressive degeneration of particularly vulnerable SN DA neurons causes a progressive DA depletion of striatal projection sites. As a consequence, motor symptoms such as tremor, hypokinesia and rigidity appear once about 50 % to 70 % of SN DA neurons have been lost. Under physiological conditions, SN DA neurons can encode behaviorally salient events and coordinated movements through tonic and phasic activity and correlated striatal DA release. Burst-activity mediates a phasic, supralinear rise of striatal DA levels and allows to activate coordinated movements via modulation of corticostriatal signals. In the present dissertation project, pathophysiological adaptations of surviving SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostiatal system have been studied using a 6-hydroxydopamine mouse model of PD. Combining in vivo retrograde tracing techniques with in vitro whole-cell patch-clamp recordings, multifluorescent immunolabeling and confocal microscopy allowed an unambiguous correlation of electrophysiological phenotypes, anatomical positions and neurochemical phenotypes of recorded neurons on a single-cell level. In vitro, neuronal activity of SN DA neurons is characterized by spontaneous, slow pacemaker activity of 1 to 10 Hz and a high degree of spike-timing precision. In vitro current-clamp recordings of surviving SN DA neurons using acute brain slice preparations after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system showed a significant perturbation of spontaneous pacemaker activity, mirrored by a decreased spike-timing precision compared to controls. Selective pharmacology and whole-cell voltage-clamp recordings served to identify calciumactivated SK channels as molecular effectors of a perturbated pacemaker activity of surviving SN DA neurons. SK channels and have been shown to critically contribute to the spike-timing precision of SN DA neurons. Consistently, in vitro current-clamp recordings after pharmacological blockade of SK channels in vitro caused a significant decrease of spike-timing precision, occluding previously observed differences between surviving SN DA neurons and controls.In addition to in vitro patch-clamp recordings, extracellular single-unit recordings in anaesthetized animals in vivo served to study surviving SN DA neurons embedded in an intact neuronal network after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system. Combining in vivo single-unit recordings, juxtacellular neurobiotin labeling and multifluorescent immunohistochemistry allowed to directly correlate electrophysiological and neurochemical phenotypes as well as anatomical positions on a single-cell level. In vivo, surviving SN DA neurons showed a significant decrease of spike-timing precision as reflected by an increased irregularity and an augmented burst activity compared to controls. The present dissertation project provided a unique combination of a neurotoxicological PD mouse model, retrograde tracing techniques and in vitro as well as in vivo electrophysiologiy, allowing to unambiguously correlate electrophysiological adaptations, projection-specific anatomical positions and neurochemical phenotypes of SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostriatal system. Surviving SN DA neurons exhibited a significant deficit of SK channel activity after a partial degeneration of the nigrostriatal DA system. In consequence of a diminished SK channel activity observed in vitro, surviving SN DA neurons exhibited and enhanced burst activity in vivo, providing a plausible mechanism to compensate a striatal DA depletion.
  • Seit seiner Entdeckung durch Arvid Carlsson wurde der Neurotransmitter Dopamin (DA mit vielerlei physiologischen Funktionen in Verbindung gebracht, einschließlich der Kontrolle der Willkürmotorik, Motivation, Exploration, sowie der Kodierung der Erwartungshaltung im Kontext belohnungsversprechender und neuer Reize. Die Synthese von Dopamin erfolgt vornehmlich in Neuronen der Substantia nigra (SN) pars compacta sowie des ventralen tegmentalen Areals (VTA), zwei zentralen Elementen des dopaminergen Mittelhirnsystems. Die Degeneration DA Neurone sowie Funktionsstörungen der synaptischen DA Freisetzung bilden die Grundlage physiologischer Symptome verschiedenster Erkrankungen des zentralen Nervensystems, im besonderen des Morbus Parkinson, der Schizophrenie, des Abhängigkeitssyndroms und des Aufmerksamkeits-Hyperaktivitätssyndroms. Die elektrischen Aktivität DA Neurone wird durch Ionenkanäle, Stimulation von Neurotransmitterrezeptoren sowie synaptische Stimuli generiert. Die Besonderheit DA Neurone besteht in der Fähigkeit, autonom, also unabhängig synaptischer Stimuli, Aktionspotentiale zu generieren. Diese Schritttmacheraktivität basiert auf einem abgestimmten Zusammenspiel einer Vielzahl von Ionenkanälen, und kann durch afferente synaptische Stimuli moduliert werden. Zeigen synaptisch isolierte DA Neurone ausschließlich eine niederfrequente (1 bis 10 Hz) Aktivität mit hoher Rhythmizität, so lassen sich in vivo verschiedene tonische und phasische Aktivitätsmuster differenzieren. Im Kontext eines modulatorisch agierenden Netzwerkes in vivo zeigen DA Neurone eine Dynamik, welche durch tonische und phasische Aktivitätsmuster charakterisiert ist und eine situationsbedingte Anpassung von Verhaltensstrategien erlaubt. Die Dynamik basiert auf einem synaptisch induzierten Umschalten zwischen tonischer Schrittmacheraktivität (1 bis 10 Hz) und phasischen „Bursts“ (13-20 Hz). Diese kurzzeitigen, hochfrequenten Entladungen bewirken eine erhöhte DA Freisetzung in striatalen Projektionsarealen und nehmen somit direkten Einfluss auf sensomotorische, limbische sowie assoziative Funktionen, welche durch die Verschaltung des Basalgangliennetzwerks gesteuert werden. Beim Morbus Parkinson handelt es sich um eine chronisch-progressive, neurodegenerative Erkrankung. Die Inzidenz einer Erkrankung steigt altersabhängig an, mit einer mittleren Inzidenz von 20/10000 und 120/10000 im Alter von 70 Jahren. Das mittlere Alter zu Beginn der Symptome liegt bei 55 Jahren. In ~90 % der Erkrankungen handelt es sich um eine sporadische Form des Morbus Parkinson mit unbekannter Ursache und ~10 % lassen sich einer idiopathischen Form mit genetischer Ursache zuordnen. Die motorischen Symptome des Morbus Parkinson, welche durch Muskelstarre (Rigor), Verlangsamung von Bewegungen (Bradykinese) sowie Muskelzittern (Tremor) gekennzeichnet sind, entstehen durch den Verlust DA Neurone der SN pars compacta und dem daraus resultierenden DA Mangel in striatalen Projektionsarealen. Die beschriebenen motorische Smptome des Morbus Parkinson manifestieren sich ausschließlich in einem fortgeschrittenen Stadium, wenn 70 bis 80 % der striatalen Axonterminalien und 50 bis 80 % der DA Neurone der Susbtantia nigra pars compacta degeneriert sind. Eine Besonderheit im Verlauf des Morbus Parkinson stellt die selektive Vulnerabilität nigrostriataler DA Neurone dar, welche im Gegensatz zu mesolimbischen und mesokortikale DA Neuronen der VTA vollständig degenerieren. In vorangegangenen Studien konnte eine direkte Verbindung zwischen selektiven Expressionsmustern von ATP-abhängigen Kaliumkanälen und der selektiven Degeneration DA Neurone der SN pars compacta nachgewiesen werden. Die pathophysiologischen Eigenschaften DA Neurone nach einer vorangeschrittenenen Degeneration des nigrostriatalen Systems blieben bisher unverstanden. Um die direkten Auswirkungen einer verminderten striatalen DA Freisetzung auf die Funktionen des Basalganliennetzwerks zu verstehen und um neue Ansätze einer ursächlichen Behandlung zu entwickeln, bildet das Verständnis zugrundeliegender pathophysiologischen Prozesse eine essenzielle Grundlage. Bisher konnten ausschließlich symptomatische Behandlungen durch DA Substitution mittels L-DOPA, einer DA Vorstufe, oder operativ mittels tiefer Hirnstimulation, gewährleistet werden. Um pathophysiologsiche Eigenschaften dopaminerger Neurone im Kontext der Parkinson Krankheit zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit elektrophysiologische in vitro Patch-Clamp Messungen sowie extrazelluläre in vivo Einzelzellableitungen an dopaminergen SN Neuronen in einem Mausmodell der Parkinson Erkrankung durchgeführt. Durch einmalige und einseitige striatale Infusion des Neurotoxins 6-Hydroxydopamin (6-OHDA) wurde eine parkinsonartige Degeneration dopaminerger Mittelhirnneurone der SN hervorgerufen, welche nach einem Zeitraum von drei Wochen durch Anwendung stereologischer Methoden quantitativ sowie qualitativ evaluiert wurden. Parallel zu der Applikation von 6-OHDA diente die striatale Infusion von artifiziellem Liquor (ACSF) als Kontrolle....

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Metadaten
Author:Alexander Prinz
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-300841
Referee:Manfred Kössl, Jochen Roeper
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/05/07
Year of first Publication:2012
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2013/04/25
Release Date:2014/05/07
Page Number:III, 205 S.
Last Page:205
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:364930802
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
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