Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrnThe visual cortex represents one of the most attractive model systems for studying the molecular mechanisms underlying synaptic plasticity in the brain. It has been shown that the neurotrophin Brain-Derived-Neurotrophic-Factor (BDNF) and the GABAergic inhibition play a pivotal role in controlling the timing of the visual cortical plasticity during normal brain development. BDNF signalling is mediated by the activation of TrkB receptors. Besides BDNF, there are not many TrkB agonists available. The flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF) is a new recently identified molecule, which possesses a potent neurotrophic activity. In the first part of the present thesis, the effects of this agent on synaptic transmission and intrinsic neuronal properties were examined, by performing whole-cell patch clamp recordings from layer 2/3 pyramidal neurons in the mouse visual cortex. It was found that incubation of acute cortical slices for 30 minutes in 20 µM of 7,8 DHF attenuates the strength of the inhibition, without affecting the glutamatergic transmission. Moreover, 7,8-DHF was also able to alter the intrinsic neuronal excitability, by increasing spike frequency and input resistance. The selective action of 7,8-DHF on the GABAergic system was also confirmed after a chronic in vivo administration. rnIn the context of a lesion, the functional interplay between the BDNF-TrkB signalling and the GABAergic inhibition is less understood. One of the most frequently reported electrophysiological alterations post-lesion is the suppression of the GABAergic transmission. In order to investigate the contribution of the BDNF/TrkB signalling to this partial disinhibition, in the second part of the present thesis a well established “ex vivo-in vitro” model of focal laser lesion in the visual cortex of WT and BDNF (+/−) mice was employed. In vitro electrophysiological recordings revealed that the impact of a laser lesion on the GABAergic transmission in the mouse visual cortex is dependent on the initial concentration of BDNF. Indeed, in WT animals, the lesion caused a reduction in the frequency of mIPSCs, accompanied by an increase in the Paired-Pulse Ratio (PPR), indicating a presynaptic mechanism of action. Conversely, in BDNF (+/−) mice, an increased amplitude of mIPSCs and a prolonged decay time of eIPSCs strongly suggest that the lesion affected the function of the postsynaptic GABAA receptors. Moreover, it was shown that an acute pharmacological block of the TrkB receptor completely reproduced the lesion-induced alterations of GABAergic transmission, and that these alterations are not mediated by a reduction in the expression of BDNF. rnTaken together these findings demonstrate that the activity of the BDNF/TrkB signalling seems to be fundamental in the functional reorganization of the GABAergic transmission post-lesion. The possibility to pharmacologically modulate this pathway could be important for the development of future therapeutic strategies of recovery from an injury. rnr