Homeostatic Plasticity of Striatal Neurons Intrinsic Excitability following Dopamine Depletion

The striatum is the major input structure of basal ganglia and is involved in adaptive control of behaviour through the selection of relevant informations. Dopaminergic neurons that innervate striatum die in Parkinson disease, leading to inefficient adaptive behaviour. Neuronal activity of striatal medium spiny neurons (MSN) is modulated by dopamine receptors. Although dopamine signalling had received substantial attention, consequences of dopamine depletion on MSN intrinsic excitability remain unclear. Here we show, by performing perforated patch clamp recordings on brain slices, that dopamine depletion leads to an increase in MSN intrinsic excitability through the decrease of an inactivating A-type potassium current, IA. Despite the large decrease in their excitatory synaptic inputs determined by the decreased dendritic spines density and the increase in minimal current to evoke the first EPSP, this increase in intrinsic excitability resulted in an enhanced responsiveness to their remaining synapses, allowing them to fire similarly or more efficiently following input stimulation than in control condition. Therefore, this increase in intrinsic excitability through the regulation of IA represents a form of homeostatic plasticity allowing neurons to compensate for perturbations in synaptic transmission and to promote stability in firing. The present observations show that this homeostatic ability to maintain firing rates within functional range also occurs in pathological conditions, allowing stabilizing neural computation within affected neuronal networks

Allosteric interactions between agonists and antagonists within the adenosine A2A receptor-dopamine D2 receptor heterotetramer

Adenosine A2A receptor (A2AR)-dopamine D2 receptor (D2R) heteromers are key modulators of striatal neuronal function. It has been suggested that the psychostimulant effects of caffeine depend on its ability to block an allosteric modulation within the A2AR-D2R heteromer, by which adenosine decreases the affinity and intrinsic efficacy of dopamine at the D2R. We describe novel unsuspected allosteric mechanisms within the heteromer by which not only A2AR agonists, but also A2AR antagonists, decrease the affinity and intrinsic efficacy of D2R agonists and the affinity of D2R antagonists. Strikingly, these allosteric modulations disappear on agonist and antagonist coadministration. This can be explained by a model that considers A2AR-D2R heteromers as heterotetramers, constituted by A2AR and D2R homodimers, as demonstrated by experiments with bioluminescence resonance energy transfer and bimolecular fluorescence and bioluminescence complementation. As predicted by the model, high concentrations of A2AR antagonists behaved as A2AR agonists and decreased D2R function in the brain

Régulation de l'excitabilité et des oscillations du potentiel membranaire des neurones stratiaux: rôles des récepteurs de la dopamine et de l'adénosine et de leurs cascades de signalisation

Les ganglions de la base forment un réseau neuronal mettant en jeu une circuiterie complexe et jouant un rôle essentiel dans la régulation des fonctions motrices, dans différentes formes d'apprentissage sensorimoteur, ainsi que dans les processus motivationnels. Cette régulation met en jeu une boucle cortico-striato-thalamo-corticale dans laquelle le striatum tient une position centrale en étant la principale structure d’entrée de ce réseau. Il joue le rôle de filtre en intégrant et traitant l’ensemble des informations qui y parviennent. Ce réseau neuronal complexe peut être altéré par différentes pathologies humaines (maladie de Parkinson, schizophrénie, chorée de Huntington, addiction aux drogues, …) qui résultent d’une perturbation ou d’une lésion au niveau d’une ou plusieurs structures composant le système des ganglions de la base.<p>Le striatum, premier relais du système des ganglions de la base, reçoit deux afférences principales :les voies dopaminergique nigro-striatale et glutamatergique cortico-striatale. En plus de ces deux afférences majeures, l’adénosine, par son action sur ses récepteurs, joue de nombreux rôles de régulation dans ce système. Ainsi, l’activité neuronale des neurones épineux moyens du striatum est modulée par les récepteurs de la dopamine qui sont en étroites interactions avec les récepteurs de l’adénosine. Bien que la signalisation de la dopamine et de l’adénosine ait été l’objet de nombreuses attentions, les mécanismes impliqués dans la régulation, par les récepteurs D2 de la dopamine et A2A de l’adénosine, dans le contrôle du potentiel membranaire et de l’excitabilité intrinsèque des neurones épineux moyens du striatum et leurs conséquences sur cette excitabilité en cas de déplétion en dopamine (mimant la maladie de Parkinson) restent encore très méconnues.<p>Dans ce travail de thèse, nous avons donc tenté d’élucider les mécanismes de régulation des récepteurs D2 et A2A et leurs interactions dans la modulation de la transition du potentiel membranaire et de l’excitabilité intrinsèque des neurones striataux, ainsi que les conséquences d’une déplétion en dopamine sur cette excitabilité neuronale. <p><p>Dans le premier travail de thèse, sur un modèle in vitro de transition du potentiel membranaire et par l’utilisation de peptides compétitifs, nous avons montré que les récepteurs D2 et A2A régulent le plateau de dépolarisation du potentiel membranaire induit par le NMDA via un mécanisme d’interaction protéine-protéine intramembranaire. En effet, l’activation du récepteur D2 supprime la transition entre un potentiel membranaire hyperpolarisé, le « down-state » et un plateau de dépolarisation du potentiel membranaire, le « up-state » par la régulation de l’activité du canal calcique Cav1.3a interagissant avec la protéine d’ancrage Shank. L’activation du récepteur A2A per se n’a pas d’effet, mais il réverse totalement la modulation de la transition du potentiel membranaire par le récepteur D2 selon un mécanisme dans lequel l’hétéromérisation des récepteurs A2A-D2 est strictement nécessaire, démontrant ainsi un intérêt physiologique direct de ces hétéromères. Nos travaux démontrent que la transition du potentiel membranaire et la fréquence de décharge des potentiels d’action des neurones striataux sont étroitement contrôlées par les récepteurs D2 et A2A via des interactions spécifiques protéine-protéine impliquant une hétéromérisation des récepteurs A2A-D2.<p><p>Dans la seconde étude présentée dans cette thèse, nous avons mis en évidence une régulation antagoniste de l’excitabilité intrinsèque des neurones épineux moyens du striatum par les récepteurs D2 et A2A via des mécanismes impliquant la modulation d’une conductance potassique de type A (IA). Par ailleurs, nous avons montré qu’une déplétion en dopamine conduit à une augmentation de l’excitabilité intrinsèque de ces neurones via une diminution d’une conductance IA. Malgré une forte diminution des afférences synaptiques excitatrices déterminées par une diminution de la densité des épines dendritiques et une augmentation du courant minimal nécessaire pour induire un premier EPSP, l’augmentation de l’excitabilité intrinsèque induite par la déplétion en dopamine résulte en un renforcement de la réponse des synapses restantes, permettant aux neurones striataux de répondre à une stimulation en provenance des afférences excitatrices de manière similaire voire même, plus efficace que dans les conditions contrôles. De plus, cette augmentation de l’excitabilité intrinsèque via la régulation d’une conductance IA représente une forme de plasticité homéostatique permettant au neurone de compenser une perturbation de l’activité neuronale ou de la transmission synaptique et donc d’assurer une stabilité de son patron de décharge des potentiels d’action. Ces données montrent la capacité de cette homéostasie à maintenir la fréquence de décharge des neurones striataux dans une gamme fonctionnelle, et ce dans des conditions pathologiques, permettant de stabiliser l’activité neuronale dans un réseau altéré.<p><p><p>En conclusion, l’ensemble de ce travail de thèse a permis de mettre en évidence une interaction fonctionnelle des récepteurs D2 de la dopamine et A2A de l’adénosine dans la régulation du contrôle de l’excitabilité des neurones épineux moyens du striatum. Il a également permis d’établir l’existence d’un mécanisme de plasticité homéostasique intervenant dans ce système neuronal altéré, afin de maintenir une activité électrique fonctionnelle des neurones striataux.<p>Doctorat en sciences biomédicalesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Dopamine D4 receptor-mediated presynaptic inhibition of GABAergic transmission in the rat supraoptic nucleus.

The mechanism by which dopamine induces or facilitates neurohypophysial hormone release is not completely understood. Because oxytocin- and vasopressin-secreting supraoptic neurons are under the control of a prominent GABAergic inhibition, we investigated the possibility that dopamine exerts its action by modulating GABA-mediated transmission. Whole cell voltage-clamp recordings of supraoptic neurons were carried out in acute hypothalamic slices to determine the action of dopamine on inhibitory postsynaptic currents. Application of dopamine caused a consistent and reversible reduction in the frequency, but not the amplitude, of miniature synaptic events, indicating that dopamine was acting presynaptically to reduce GABAergic transmission. The subtype of dopamine receptor involved in this response was characterized pharmacologically. Dopamine inhibitory action was greatly reduced by two highly selective D4 receptor antagonists L745,870 and L750,667 and to a lower extent by the antipsychotic drug clozapine but was unaffected by SCH 23390 and sulpiride, D1/D5 and D2/D3 receptor antagonists, respectively. In agreement with these results, the action of dopamine was mimicked by the potent D4 receptor agonist PD168077 but not by SKF81297 and bromocriptine, D1/D5 and D2/D3 receptor agonists, respectively. Dopamine and PD168077 also reduced the amplitude of evoked inhibitory postsynaptic currents, an effect that was accompanied by an increase in paired-pulse facilitation. These data clearly indicate that D4 receptors are located on GABA terminals in the supraoptic nucleus and that their activation reduces GABA release in the supraoptic nucleus. Therefore dopaminergic facilitation of neurohypophysial hormone release appears to result, at least in part, from disinhibition of magnocellular neurons caused by the depression of GABAergic transmission

Activation of protein kinase C and inositol 1,4,5-triphosphate receptors antagonistically modulate voltage-gated sodium channels in striatal neurons.

Regulation of voltage-gated sodium channels is crucial to firing patterns that constitute the output of medium spiny neurons (MSN), projecting neurons of the striatum. This modulation is thus critical for the final integration of information processed within the striatum. It has been shown that the adenylate cyclase pathway reduces sodium currents in MSN through channel phosphorylation by cAMP-dependent protein kinase. However, it is unknown whether a phospholipase C (PLC)-mediated signaling cascade could also modulate voltage-gated sodium channels within MSN. Using the whole-cell patch clamp technique, we investigated the effects of activation of two key components in PLC-mediated signaling cascades: protein kinase C (PKC) and inositol-1,4,5-triphosphate (IP(3)) receptors on voltage-dependent sodium current. Cellular dialysis with phorbol 12-myristate 13-acetate, an activator of PKC, significantly reduced peak sodium current amplitude, while adenophostin A, an activator of IP(3) receptors, significantly increased peak sodium current amplitude. This effect of adenophostin was abolished by calcium chelation or by FK506, an inhibitor of calcineurin. These results suggest an antagonistic role of PKC and IP(3) in the modulation of striatal voltage-gated sodium channels, peak current amplitude being decreased through phosphorylation by PKC and increased through dephosphorylation by calcineurin.Comparative StudyJournal ArticleResearch Support, Non-U.S. Gov'tinfo:eu-repo/semantics/publishe

Expression of adenosine A 2A receptors in the rat lumbar spinal cord and implications in the modulation of N-methyl-d-aspartate receptor currents.

BACKGROUND: The presence of A(2A) receptors in the dorsal horn of the spinal cord remains controversial. At this level, activation of N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors induces wind-up, which is clinically expressed as hyperalgesia. Inhibition of NMDA receptor currents after activation of A(2A) receptors has been shown in rat neostriatal neurons. In this study, we sought to establish the presence of adenosine A(2A) receptors in the lamina II of the rat lumbar dorsal horn neurons and investigated whether the activation of A(2A) receptors is able to modulate NMDA receptor currents. METHODS: Experiments were conducted in the rat lumbar spinal cord. The presence of adenosine A(2A) receptor transcripts inside the lumbar spinal cord is assessed with the reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) technique. Western blot experiments are performed at the same level. The RT-PCR technique is also performed specifically in the lamina II, and the presence of adenosine A(2A) receptor transcripts is assessed in neurons from the lamina II with the single-cell RT-PCR technique. The effect of adenosine A(2A) receptor activation on NMDA receptor currents is studied by the whole-cell configuration of the patch clamp technique. RESULTS: RT-PCR performed on the lumbar spinal cord revealed the presence of adenosine A(2A) receptor transcripts. Western blot experiments revealed the presence of A(2A) receptors in the lumbar spinal cord. RT-PCR performed on the substantia gelatinosa also revealed the presence of adenosine A(2A) receptor transcripts. Finally, single cell RT-PCR revealed the presence of adenosine A(2A) receptor transcripts in a sample of lamina II neurons. Patch clamp recordings showed an inhibition of NMDA currents during the application of a selective A(2A) agonist. CONCLUSIONS: These results demonstrate the presence of A(2A) receptor on neurons from the substantia gelatinosa of the rat lumbar dorsal horn and the inhibition of NMDA-induced currents by the application of a selective A(2A) receptor agonist. Therefore, A(2A) receptor ligands could modulate pain processing at the spinal cord level.Journal ArticleResearch Support, Non-U.S. Gov'tSCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

An update on adenosine A2A-dopamine D2 receptor interactions: Implications for the function of G protein-coupled receptors

SCOPUS: re.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Dopamine depletion changes expression of specific striatal genes.

<p><i>Left panels</i>, Autoradiograms generated by <i>in situ</i> hybridization using α-³⁵S-labeled-labeled oligoprobes to identify enkephalin (A), dopamine D₂ receptor (B) and dopamine D₁ receptor (C) mRNA expression from untreated control and dopamine-depleted animals. <i>Right panels</i>, Levels of expression of enkephalin mRNA (A), D₂ receptor mRNA (B) and D₁ receptor mRNA (C) in striatum and nucleus accumbens in both conditions. (Untreated control rats n = 5, dopamine (DA)-depleted rats n = 6; data represent mean ± SEM expressed in optical density, arbitrary unit; **p<0.01, ***p<0.001).</p