Dopaminergic modulation of synaptic plasticity in the subiculum

Die Verschlüsselung und Speicherung neuer Informationen beruhen auf einer zeitgleichen Freisetzung von Dopamin (DA) in der hippokampalen Formation während der Neuigkeitserkennung. Der genaue Ort der Neuigkeitserkennung im Hippokampus (HC) ist jedoch unklar. HC und dopaminerge Projektionen des Mittelhirns bilden eine funktionelle Schleife. Aktiviert wird diese Schleife, sobald der HC neue Informationen erkennt. Entsprechend aktueller Modelle fungieren die hippokampalen Regionen, CA1 und Subikulum (SUB), als Detektor und Verteiler neuer sensorischer Informationen. Aktivitätsabhängige, synaptische Plastizität wird als einer der zellulären Mechanismen verstanden, der wesentlich den physiologischen Prozessen Lernen und Gedächtnis zugrunde liegt. Als zellulär-synaptisches Korrelat versteht man die Langzeitpotenzierung (LTP), eine langandauernde Verstärkung der synaptischen Übertragung zwischen Neuronen im HC. Die am besten untersuchte Form der LTP kann an den Synapsen der Pyramidenzellen in der CA1 Region ausgelöst werden. Trotz der Schlüsselrolle des SUB bei der Informationsübertragung ins Langzeitgedächtnis wurde bisher nicht untersucht, wie DA synaptische Plastizität in dieser Struktur moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob und wie eine transiente Aktivierung von D1/D5-Rezeptoren (R) die Induktion einer aktivitätsabhängigen LTP in CA1, subikulären BURST und REG Pyramidenzellen bahnt. Verwendet wurde ein schwaches Stimulationsprotokoll, welches unterschwellig zur Induktion von LTP ist. Die Ergebnisse zeigen, dass zum einen eine kurzfristige D1/D5-R Aktivierung über 5-10 min LTP in beiden subikulären Neuronenarten, aber nicht in CA1 Neuronen bahnt. Zum anderen scheinen sich die Formen der induzierten LTP zwischen den subikulären Zelltypen zu unterscheiden. Es wird nachgewiesen, dass die D1/D5-R-gebahnte LTP in beiden Zellarten zwar NMDA-R-abhängig ist und die Aktivierung der Proteinkinase A benötigt. Jedoch wird in BURST Zellen die D1/D5-R-abhängige LTP stärker gebahnt als in REG Zellen, wird präsynaptisch exprimiert und beruht auf präsynaptischer Ca2+-Signalgebung. In REG Zellen dagegen ist der Expressionsort der LTP postsynaptisch lokalisiert und abhängig von der postsynaptischen Ca2+-Signalkaskade. Das Phänomen der DA-induzierten Vorbahnung einer NMDA-R-abhängigen LTP in subikulären Pyramidenzellen stimmt mit den Beobachtungen der zeitabhängigen Freisetzung von DA während der Neuigkeitserkennung in dieser Hirnregion überein und deckt einen bedeutenden Mechanismus auf, hippokampale Ausgangsinformationen zu kodieren.During novelty detection the encoding and storage of new information are based on a simultaneous release of dopamine in the hippocampcal formation. The precise location of novelty detection is yet unknown. The hippocampus and dopaminergic projections of the midbrain form a functional loop. The loop is activated when the hippocampus detects new information. According to actual models the hippocampal areas, CA1 and subiculum (SUB), act as detectors and distributers of new sensory information. Activity dependent, synaptic plasticity is known as one of the cellular mechanisms that underlies the physiological processes of learning and memory. Long-term potentiation (LTP) is recognized as a cellular-synaptic correlate, a long-lasting enhancement of synaptic transmission between neurons in the hippocampus. The most intensively investigated form of LTP can be evoked at the synapses of pyramidal neurons in area CA1. Despite the key role of the SUB in processing information to the long-term memory it is not known how dopamine modulates synaptic plasticity in this structure. In the present work it has been investigated if and how a transient activation of dopamine receptors D1/D5 primes the induction of an activity-dependent LTP in CA1, subicular burst-firing and regular-firing pyramidal cells. A weak stimulation protocol has been used which is subthreshold for inducing LTP. The results show firstly that a transient activation of D1/D5 receptors for 5-10 min primes LTP in both types of subicular neurons, but not in CA1 neurons. Secondly, the forms of induced LTP seem to differ between the subicular cell types. It is demonstrated that the LTP primed by activation of D1/D5 receptors is indeed NMDA receptor dependent and requires the activation of protein kinase A. However in burst-firing cells the D1/D5 receptor dependent LTP is stronger increased than in regular-firing cells, is expressed presynaptic and is based on presynaptic Ca2+ signaling. In regular-firing cells however, the expression of LTP is located postsynaptic and dependent on postsynaptic Ca2+ signaling. The phenomenon of dopamine induced priming of a NMDA receptor dependent LTP in subicular pyramidal cells corresponds with the observations of a time-dependent release of dopamine during novelty detection in this brain region and reveals an important mechanism of encoding hippocampal output information