Heterosynaptic long-term potentiation at GABAergic synapses of spinal lamina I neurons

Abstract

Neuronen in Lamina I des Rückenmarks spielen eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung nozizeptiver Information. Das funktionelle Gleichgewicht der synaptischen Erregung und Hemmung dieser Neuronen ist entscheidend für eine intakte Schmerzwahrnehmung. Die synaptische Langzeitpotenzierung (LTP) zwischen nozizeptiven, erregenden afferenten C-Fasern und Neuronen in Lamina I stellt ein zelluläres Modell der Schmerzverstärkung dar. Bisher ist jedoch nicht bekannt, ob eine Langzeitplastizität auch an hemmenden Synapsen im oberflächlichen Rückenmark induziert werden kann. In verschiedenen Gehirnarealen wird die Langzeitplastizität hemmender Synapsen durch die Aktivität erregender Synapsen induziert. Wir vermuten daher, dass eine konditionierende Stimulation von nozizeptiven primären Afferenzen die Übertragungsstärke hemmender GABAerger Synapsen an Lamina I Neuronen beeinflusst. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurden elektrophysiologische Messungen an Neuronen in Lamina I in Schnittpräparaten des Rückenmarks der Ratte mit anhängender Hinterwurzel durchgeführt. Monosynaptische, GABAerge postsynaptische Ströme wurden in Gegenwart von ionotropen Glutamat- und Glyzinrezeptor-Antagonisten fokal evoziert. Die konditionierende Stimulation der primären Afferenzen, mit einem Stimulationsprotokoll, das LTP an C-Faser Synapsen induziert, triggerte auch eine LTP der GABAergen Synapsen an Lamina I Neuronen (LTPGABA). Nach dem Auswaschen der Antagonisten am Ende der Messungen wurde der synaptische Zustrom von den stimulierten nozizeptiven Fasern untersucht. LTPGABA konnte nur bei den Neuronen induziert werden, die monosynaptischen A[delta]- oder C-Faser Input bekamen. Diese neuartige LTPGABA wurde heterosynaptisch induziert und durch metabotrope Glutamatrezeptoren der Gruppe 1 mediiert, wohingegen die Aktivierung ionotroper AMPA/KA und NMDA Rezeptoren für die Induktion nicht notwendig war. Analysen der "paired-pulse ratio", des "coefficient of variation" und der Aktionspotenzial-unabhängigen "miniature IPSCs" bestätigten, dass die LTPGABA präsynaptisch exprimiert war. Stickoxid als retrograder Botenstoff mediierte diese Erhöhung der Freisetzungswahrscheinlichkeit von GABA. Durch Blockade der Stickoxid-Synthetase wurde die LTPGABA zu einer Langzeitdepression GABAerger Synapsen an Lamina I Neuronen (LTDGABA) umgekehrt. Die Aktivierung des Typ 1 Cannabinoid-Rezeptors (CB1Rs) verringerte die Freisetzungswahrscheinlichkeit von GABA. Blockade des CB1Rs verhinderte sowohl die Induktion von LTPGABA als auch von LTDGABA. Diese Ergebnisse zeigen einen neuartigen, komplexen Wirkmechanismus zwischen Endocannabinoiden und Stickoxid im Dorsalhorn des Rückenmarks. Die neuartige LTPGABA scheint einen grundlegenden Mechanismus bei der Verarbeitung nozizeptiver Information darzustellen. Die Erregung und Hemmung wird im physiologischen Gleichgewicht gehalten und das Hintergrundrauschen in spinalen nozizeptiven Bahnen reduziert.Neurons in spinal dorsal horn lamina I play a pivotal role for nociception which critically depends on a proper balance between excitatory and inhibitory inputs. Any modification in synaptic strength may challenge this delicate balance. Long-term potentiation (LTP) at glutamatergic synapses between nociceptive C-fibers and lamina I neurons is an intensively studied cellular model of pain amplification. In contrast, nothing is presently known about long-term changes of synaptic strength at inhibitory synapses in the spinal dorsal horn. Long-term plasticity at inhibitory synapses in various brain regions is mainly mediated by activation of excitatory synapses. We propose that conditioning stimulation of primary afferents would affect GABAergic synapses impinging onto lamina I neurons. In order to test this hypothesis, electrophysiological recordings from lamina I neurons were obtained in a spinal cord-dorsal root slice preparation from rats. Monosynaptic GABAergic inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) were evoked by a focal stimulation electrode placed ventrally to the patched neuron in the presence of ionotropic glutamate and glycine receptor antagonists. Conditioning stimulation of primary afferents with a stimulating protocol that induces LTP at C-fiber synapses also triggered LTP at GABAergic synapses (LTPGABA). Analysis of the excitatory input from attached dorsal roots after wash-out of all drugs revealed that LTPGABA could only be induced in lamina I neurons with monosynaptic A[delta]- or monosynaptic C-fiber input. This novel form of LTPGABA was heterosynaptic in nature, mediated by group I metabotropic glutamate receptors (mGluRs) whereas opening of ionotropic glutamate receptor channels of the AMPA/KA or NMDA subtype was not required. Paired-pulse ratio, coefficient of variation and miniature IPSCs analysis revealed that LTPGABA was expressed presynaptically. Nitric oxide (NO) as a retrograde messenger signal mediated this increase of GABA release at spinal inhibitory synapses. Blocking NO production converted LTPGABA to long-term depression of GABAergic synapses (LTDGABA) at spinal lamina I neurons. GABAergic input to lamina I neurons was also depressed by activation of the type 1 cannabinoid receptors (CB1Rs). Blockade of CB1Rs prevented the induction of both LTPGABA and LTDGABA suggesting a complex interaction of endocannabinoid (eCB) and NO signalling. This novel form of LTPGABA in spinal nociceptive circuits may be an essential mechanism to maintain the relative balance between excitation and inhibition and to improve the signal-to-noise ratio in nociceptive pathways.submitted by Henning FenselauAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersWien, Med. Univ., Diss., 2012OeBB(VLID)171427