Increased activity of D5R-Kv1.3 pathway in cholinergic interneurons contributes to the hypercholinergic state of parkinsonism and dyskinesias

Balanced actions of dopamine (DA) and acetylcholine (ACh) shape striatal function. Striatal cholinergic interneurons (ChIs) are the main striatal ACh source. In Parkinson´s disease (PD), DAergic nigrostriatal neurons degenerate, leading to a hypercholinergic state. L-dopa treatment can induce dyskinesias (LID). Previously, we found that ChIs are hyperexcitable in a mouse model of PD as result of a reduced Kv1.3 current, and, recently, that ChIs from LID mice are even more hyperexcitable. Our aim is to identify the mechanisms underlying this hyperexcitability, which are potential new therapeutic targets for Parkinson?s disease and dyskinesias. Since hyperexcitability occurs in the absence of DA or L-dopa treatment, we hypothesize that physiologic activation of D5R, which results in increased excitability, reduces Kv1.3 current. Because the D5R, which has constitutive (ligand-independent) activity, excites ChIs in physiological conditions, we hypothesize that an alteration of D5R signaling causes ChIs hyperexcitability in PD. With ex-vivo electrophysiological recordings, we found that D5R increases ChIs excitability by reducing a Kv1.3 current through a cAMP dependent signaling cascade. Moreover, in PD and LID mouse models, elevated levels of cAMP contribute to ChIs hyperexcitability. Finally, preliminary results suggest that this pathway is overactive due to an increased constitutive activation of D5R that entails an increased cAMP production followed by a reduction in Kv1.3 current, resulting in ChIs hyperexcitability.Fil: Tubert, Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Paz, Rodrigo Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Stahl, Agostina Mónica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Rela, Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Murer, Mario Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaXXXV Reunión Anual de la Sociedad Argentina de Investigación en NeurocienciasCiudad Autónoma de Buenos AiresArgentinaSociedad Argentina de Investigación en Neurociencia

D1/D5 Inverse Agonists Restore Striatal Cholinergic Interneuron Physiology in Dyskinetic Mice

Background: In advanced stages of Parkinson's disease (PD), dyskinesia and motor fluctuations become seriously debilitating and therapeutic options become scarce. Aberrant activity of striatal cholinergic interneurons (SCIN) has been shown to be critical to PD and dyskinesia, but the systemic administration of cholinergic medications can exacerbate extrastriatal-related symptoms. Thus, targeting the mechanisms causing pathological SCIN activity in severe PD with motor fluctuations and dyskinesia is a promising therapeutic alternative. Methods: We used ex vivo electrophysiological recordings combined with pharmacology to study the alterations in intracellular signaling that contribute to the altered SCIN physiology observed in the 6-hydroxydopamine mouse model of PD treated with levodopa. Results: The altered phenotypes of SCIN of parkinsonian mice during the “off levodopa” state resulting from aberrant Kir/leak and Kv1.3 currents can be rapidly reverted by acute inhibition of cAMP-ERK1/2 signaling. Inverse agonists that inhibit the ligand-independent activity of D5 receptors, like clozapine, restore Kv1.3 and Kir/leak currents and SCIN normal physiology in dyskinetic mice. Conclusion: Our work unravels a signaling pathway involved in the dysregulation of membrane currents causing SCIN hyperexcitability and burst-pause activity in parkinsonian mice treated with levodopa (l-dopa). These changes persist during off-medication periods due to tonic mechanisms that can be acutely reversed by pharmacological interventions. Thus, targeting the D5-cAMP-ERK1/2 signaling pathway selectively in SCIN may have therapeutic effects in PD and dyskinesia by restoring the normal SCIN function.Fil: Paz, Rodrigo Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Stahl, Agostina Mónica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Rela, Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Murer, Mario Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Tubert, Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; Argentin

Levodopa Causes Striatal Cholinergic Interneuron Burst-Pause Activity in Parkinsonian Mice

Background: Enhanced striatal cholinergic interneuron activity contributes to the striatal hypercholinergic state in Parkinson's disease (PD) and to levodopa-induced dyskinesia. In severe PD, dyskinesia and motor fluctuations become seriously debilitating, and the therapeutic strategies become scarce. Given that the systemic administration of anticholinergics can exacerbate extrastriatal-related symptoms, targeting cholinergic interneurons is a promising therapeutic alternative. Therefore, unraveling the mechanisms causing pathological cholinergic interneuron activity in severe PD with motor fluctuations and dyskinesia may provide new molecular therapeutic targets. Methods: We used ex vivo electrophysiological recordings combined with pharmacological and morphological studies to investigate the intrinsic alterations of cholinergic interneurons in the 6-hydroxydopamine mouse model of PD treated with levodopa. Results: Cholinergic interneurons exhibit pathological burst-pause activity in the parkinsonian “off levodopa” state. This is mediated by a persistent ligand-independent activity of dopamine D1/D5 receptor signaling, involving a cyclic adenosine monophosphate (cAMP) pathway. Dysregulation of membrane ion channels that results in increased inward-rectifier potassium type 2 (Kir2) and decreased leak currents causes the burst pause activity, which can be dampened by pharmacological inhibition of intracellular cAMP. A single challenge with a dyskinetogenic dose of levodopa is sufficient to induce persistent cholinergic interneuron burst-pause firing. Conclusion: Our data unravel a mechanism causing aberrant cholinergic interneuron burst-pause activity in parkinsonian mice treated with levodopa. Targeting D5-cAMP signaling and the regulation of Kir2 and leak channels may alleviate parkinsonism and dyskinesia by restoring normal cholinergic interneuron function.Fil: Paz, Rodrigo Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Tubert, Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Stahl, Agostina Mónica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Amarillo Gomez, Yimy. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Rela, Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Murer, Mario Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; Argentin

Inhibition of striatal cholinergic interneuron activity by the Kv7 opener retigabine and the nonsteroidal anti-inflammatory drug diclofenac

Striatal cholinergic interneurons provide modulation to striatal circuits involved in voluntary motor control and goal-directed behaviors through their autonomous tonic discharge and their firing “pause” responses to novel and rewarding environmental events. Striatal cholinergic interneuron hyperactivity was linked to the motor deficits associated with Parkinson's disease and the adverse effects of chronic antiparkinsonian therapy like L-DOPA-induced dyskinesia. Here we addressed whether Kv7 channels, which provide negative feedback to excitation in other neuron types, are involved in the control of striatal cholinergic interneuron tonic activity and response to excitatory inputs. We found that autonomous firing of striatal cholinergic interneurons is not regulated by Kv7 channels. In contrast, Kv7 channels limit the summation of excitatory postsynaptic potentials in cholinergic interneurons through a postsynaptic mechanism. Striatal cholinergic interneurons have a high reserve of Kv7 channels, as their opening using pharmacological tools completely silenced the tonic firing and markedly reduced their intrinsic excitability. A strong inhibition of striatal cholinergic interneurons was also observed in response to the anti-inflammatory drugs diclofenac and meclofenamic acid, however, this effect was independent of Kv7 channels. These data bring attention to new potential molecular targets and pharmacological tools to control striatal cholinergic interneuron activity in pathological conditions where they are believed to be hyperactive, including Parkinson's disease.Fil: Paz, Rodrigo Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Tubert, Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Stahl, Agostina Mónica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: López Díaz, Analía Valeria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Etchenique, Roberto Argentino. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Murer, Mario Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; ArgentinaFil: Rela, Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Fisiología y Biofísica Bernardo Houssay; Argentin