Experimental Anaesthesiology Antkowiak Lab:Processing
Sektion für Experimentelle Anaesthesiologie - Kortikale Informationsverarbeitung
Project 1
Cholinergic modulation of GABAergic inhibition in neocortex
Acetylcholine (ACh), a neuromodulator vital to vigilance and cognition, is classically associated with an 'activating' or excitatory function in neocortex. However, ACh excites not only glutamatergic neurons, but also certain classes of inhibitory interneurons. The project is aimed at elucidating in which manner the cholinergic status of cortical networks alters GABAergic inhibition.
We start from the working hypothesis that interneurons sensitive to ACh activate GABA(A) receptors with a subunit composition and pharmacological profile different from that of receptors postsynaptic to ACh-insensitive interneurons. Furthermore, presynaptic modulation of GABA release by ACh may depend on interneuron type. Therefore, the degree of cholinergic activation should govern the contribution of different interneuron types and GABA(A) receptor subtypes to inhibition in cortical networks in multiple ways. We pursue this idea by comparing population activity patterns, inhibitory currents and activity profiles of interneurons in cortical networks in vitro subjected to different conditions of cholinergic stimulation and blockade.
Funded by DFG (HE 6210/1-1)
Projekt 2
"Spillover" von GABA auf peri- und extrasynaptische GABA(A)-Rezeptoren - Relevanz für anästhetische Effekte im Großhirn?
Synaptische GABAA-Rezeptoren sind ein elementarer Bestandteil der hemmenden Maschinerie des Zentralnervensystems. Sie befinden sich in der postsynaptischen Membran hemmender Synapsen, d.h. direkt gegenüber den Orten der Freisetzung des Neurotransmitters GABA. Da GABA nach Freisetzung extrem schnell von GABA-Transportern aufgenommen wird, sind synaptische GABAA-Rezeptoren Konzentrationspulsen des Transmitters von nur wenigen Millisekunden Dauer ausgesetzt. Diese Dynamik der Transmitterfreisetzung sowie die Eigenschaften der Rezeptoren resultieren in einer schnellen, 'phasischen' Hemmung des postsynaptischen Neurons. In den vergangenen Jahren wurde jedoch zunehmend realisiert, dass dieses Bild der Hemmung von zentralnervösen Neuronen durch GABA unvollständig ist. Trotz der effektiven Aufnahme von GABA im synaptischen Spalt diffundiert ein Teil des Transmitters in den peri- und extrasynaptischen Raum. Dort befinden sich GABAA-Rezeptoren, die sich in zwei Eigenschaften von ihren synaptischen Verwandten unterscheiden: ihre Affinität zu GABA ist weitaus höher, und sie inaktivieren nach Bindung des Neurotransmitters langsamer. Beide Eigenschaften machen sie zu sehr empfindlichen Sensoren extrasynaptischen GABAs, die in Neuronen langanhaltende, 'tonische' Ströme hervorrufen. Dies scheint insbesondere in Phasen hoher neuronaler Aktivität der Fall zu sein, während derer inhibitorische Neuronen viel GABA ausschütten.
Welche Bedeutung kommt tonischer Inhibition bei der Ausprägung neuronaler Aktivität im Neokortex zu? Zu welchen Anteilen werden phasische und tonische Ströme durch Anästhetika verstärkt, die an GABAA-Rezeptoren ansetzen? Dieser Frage wird im Großhirn nachgegangen. Modellsystem sind Kulturen von Großhirnschnitten von Ratten und Mäusen, die spontane Aktivität in Form von Bursts ('UP states') zeigen. Unser spezieller experimenteller Ansatz besteht darin, diese spontane Populationsaktivität der kortikalen Netzwerke auszunutzen. Vorversuche haben gezeigt, dass eine aktivitätsabhängige Erhöhung der extrasynaptischen Konzentration von GABA durch pharmakologische Blockade von GABA-Transportern neuronale Aktivität massiv hemmt. Interessanterweise ist die Veränderung der Ruhephasen zwischen den Bursts biphasisch (bei geringen Konzentrationen Verkürzung, bei hohen Konzentrationen Verlängerung).
In weiterführenden Experimenten sollen unter gleichen Bedingungen und in Gegenwart von Anästhetika phasische und tonische GABAerge Ströme intrazellulär quantifiziert werden. Mittels Calcium-Imaging von Populationen von Neuronen soll die raumzeitliche Dynamik neuronaler Aktivität untersucht werden. Ziel des Projektes ist, für Isofluran wie auch andere Anästhetika die Beteiligung beider Modi der GABAergen Inhibition bei der Unterdrückung neuronaler Aktivität zu ermitteln. In Kombination mit neuen Erkenntnissen über die Zusammensetzung von GABAA-Rezeptoren eröffnet sich mittelfristig die Perspektive einer genaueren Beschreibung der funktionellen Eigenschaften von Anästhetika.
