Distinct Modulation of Spontaneous and GABA-Evoked Gating by Flurazepam Shapes Cross-Talk Between Agonist-Free and Liganded GABAA Receptor Activity

GABAA receptors (GABAARs) play a crucial inhibitory role in the CNS. Benzodiazepines (BDZs) are positive modulators of specific subtypes of GABAARs, but the underlying mechanism remains obscure. Early studies demonstrated the major impact of BDZs on binding and more recent investigations indicated gating, but it is unclear which transitions are affected. Moreover, the upregulation of GABAAR spontaneous activity by BDZs indicates their impact on receptor gating but the underlying mechanisms remain unknown. Herein, we investigated the effect of a BDZ (flurazepam) on the spontaneous and GABA-induced activity for wild-type (WT, α1β2γ2) and mutated (at the orthosteric binding site α1F64) GABAARs. Surprisingly, in spite of the localization at the binding site, these mutations increased the spontaneous activity. Flurazepam (FLU) upregulated this activity for mutants and WT receptors to a similar extent by affecting opening/closing transitions. Spontaneous activity affected GABA-evoked currents and is manifested as an overshoot after agonist removal that depended on the modulation by BDZs. We explain the mechanism of this phenomenon as a cross-desensitization of ligand-activated and spontaneously active receptors. Moreover, due to spontaneous activity, FLU-pretreatment and co-application (agonist + FLU) protocols yielded distinct results. We provide also the first evidence that GABAAR may enter the desensitized state in the absence of GABA in a FLU-dependent manner. Based on our data and model simulations, we propose that FLU affects agonist-induced gating by modifying primarily preactivation and desensitization. We conclude that the mechanisms of modulation of spontaneous and ligand-activated GABAAR activity concerns gating but distinct transitions are affected in spontaneous and agonist-evoked activity

Animal models of Alzheimer's Disease.

Choroba Alzheimera jest obecnie poważnym cywilizacyjnym problemem zdrowotnym. Wiedza na jej temat jest ograniczona i fragmentaryczna, podczas gdy liczebność osób zapadających na tę chorobę stale wzrasta. Z tego powodu, konieczne jest prowadzenie intensywnych badań naukowych, umożliwiających zdobywanie nowych informacji na temat jej pochodzenia, przebiegu oraz metod przeciwdziałania. W neurobiologii głównym narzędziem do takich eksperymentów są zwierzęta modelowe. Przeznaczeniem modeli zwierzęcych jest odtworzenie zmian, objawów i przyczyn badanego schorzenia. W przypadku choroby Alzheimera, najczęściej stosuje się podejście transgeniczne oparte na podłożu genetycznym: mutacjach patogennych białek (APP, PS1, PS2, tau) lub genach ryzyka podatności na rozwój choroby (ApoE). Wykorzystywanymi często organizmami są m. in. D. melanogaster, C. elegans, P. marinus, a także, w przeważającej części, myszy. Prowadzone na organizmach prace eksperymentalne oraz testy skupiają się zarówno na objawach fizjologicznych, zmianach biochemicznych i strukturalnych tkanki nerwowej jak i objawach behawioralnych, w większości przypadków dotyczących zaburzeń funkcji pamięciowych.Alzheimer's disease currently is a very serious civilizational health problem. The knowledge of this subject is limited and fragmentary, while the number of affected people constantly increases. Hence, it is essential to proceed with the intensive scientific research, in order to gather new information about the origin, course and counteraction of the disease. In Neuroscience, the main tools for such experiments are animal models. Their aim is to replicate changes, symptoms or causes of the illness. Regarding Alzheimer’s disease, the most common is transgenic approach, based on genetic factors: mutations of pathogenic proteins (APP, PS1, PS2, and tau) or risk genes leading to the disease susceptibility (ApoE). Animals that are often used are D. melanogaster, C. elegans, P. marinus and, with the greatest prevalence, mice. Performed experiments and tests focus on physiological symptoms, biochemical and structural changes of nervous tissue as well as behavioral diagnostics, such us memory function deterioration, which is widely observed during the course of Alzheimer's disease

Electrophysiological characteristic of dorsal raphe nucleus neurons in the rat.

Grzbietowe jądro szwu (DRN) jest strukturą położoną w obrębie pnia mózgu. Obszar ten składa się przede wszystkim z neuronów uwalniających neuroprzekaźnik serotoninę. Projekcje serotonergiczne docierają do większości istotnych rejonów mózgu takich jak przodomózgowie, jądra podstawne, jądra wzgórza i podwzgórza. Z tego powodu grzbietowe jądro szwu uczestniczy w regulacji wielu funkcji życiowych organizmu – zarówno fizjologicznych jak i kognitywnych. Oprócz komórek serotonergicznych, w DRN występują także populacje interneuronów uwalniających neuroprzekaźniki takie jak GABA oraz glutaminian. Wiadomo, że poszczególne typy komórek nerwowych grzbietowego jądra szwu wykazują odmienne cechy elektrofizjologiczne. Jak sugerują doniesienia dotyczące neuronów 5-HT, zróżnicowanie obserwuje się także w obrębie tego samego typu komórek, jednak zróżnicowania tego nie opisano dotąd w sposób systematyczny. Weryfikacja tej hipotezy może odbyć się poprzez zastosowanie techniki rejestracji wewnątrzkomórkowych whole-cell patch clamp w skrawkach mózgu szczura oraz z wykorzystaniem metod statystyki wielowymiarowej, do których należy analiza klastrów. W oparciu o wyjściową pulę danych pochodzących z rejestracji, wykonanych w ramach niniejszej pracy, wynik takiej analizy sugeruje podział na 4 klastry. W składzie poszczególnych klastrów znajdują się komórki prawdopodobnie reprezentujące jeden z typów neuronów DRN (komórki serotonergiczne lub interneurony) oraz różniące się pomiędzy sobą wartościami parametrów opisujących ich aktywność elektrofizjologiczną. Na podstawie tych wyników, określono wartości konkretnych parametrów elektrofizjologicznych, charakterystycznych dla danego klastra i pośrednio – dla domniemanego rodzaju komórek nerwowych znajdujących się w grzbietowym jądrze szwu szczura.Dorsal raphe nucleus (DRN) is a brain structure located in the brain stem region. It mostly consists of neurons that secrete serotonin as the main neurotransmitter. Ascending neuronal tracts from the structure are mostly serotonin-based and they reach a wide variety of important brain regions e.g. forebrain, basal ganglia, thalamus and hypothalamus. Therefore, DRN activity is involved in regulation of pivotal life functions of the organism, both physiological and cognitive. Apart from the abundance of serotonergic cells, also GABA-ergic and glutamatergic interneurons can be found in the dorsal raphe nucleus. As it is known, each type of neurons exhibits distinct electrophysiological properties. Differentiation can also be observed among the cells of the same type, as it is suggested for 5-HT neurons, however it has not been described in a systematic way yet. Using intracellular recordings techniques, such as whole- cell patch clamp in rat brain slices and combined with statistical method - cluster analysis, this hypothesis can be verified. The result of the analysis, conducted on the data collected during recordings for this thesis puroposes, provides a 4 - cluster structure. Each cluster contains separate group of DRN neurons of a putative type (serotonergic or interneuron) and they are statistically different in terms of a set of parameters describing electrophysiological activity of a cell. Based on these findings, specific values for electrophysiological features can be obtain for each cluster – as well as for each putative type of neurons located in the DRN structure of a rat

PIEZO2-dependent rapid pain system in humans and mice.

The PIEZO2 ion channel is critical for transducing light touch into neural signals but is not considered necessary for transducing acute pain in humans. Here, we discovered an exception - a form of mechanical pain evoked by hair pulling. Based on observations in a rare group of individuals with PIEZO2 deficiency syndrome, we demonstrated that hair-pull pain is dependent on PIEZO2 transduction. Studies in control participants showed that hair-pull pain triggered a distinct nocifensive response, including a nociceptive reflex. Observations in rare Aβ deafferented individuals and nerve conduction block studies in control participants revealed that hair-pull pain perception is dependent on Aβ input. Single-unit axonal recordings revealed that a class of cooling-responsive myelinated nociceptors in human skin is selectively tuned to painful hair-pull stimuli. Further, we pharmacologically mapped these nociceptors to a specific transcriptomic class. Finally, using functional imaging in mice, we demonstrated that in a homologous nociceptor, Piezo2 is necessary for high-sensitivity, robust activation by hair-pull stimuli. Together, we have demonstrated that hair-pulling evokes a distinct type of pain with conserved behavioral, neural, and molecular features across humans and mice