Synaptic Integration of Hippocampal Neurons Generated in the Adult Brain: Influence of a Pathological Environment

Abstract

The adult brain constantly produces new neurons from endogenous neural progenitor cells located in at least two



regions, the subgranular zone (SGZ) in dentate gyrus of the hippocampus, and the subventricular zone (SVZ). Major



efforts are underway to discover the functional significance of new neurons in the adult brain. Several studies have indicated a relationship exists between newborn hippocampal neurons and learning and memory, suggesting that the new



neurons have a physiological role within the established circuitry. Individual newborn hippocampal neurons develop



into functional dentate granule cells and integrate normally into the hippocampal circuitry. They develop electrophysiological properties that are indistinguishable from the granule cells that were formed during early development.



Adult neurogenesis may provide the possibility for neuronal replacement therapy. Several brain pathologies have



been shown increase or decrease the magnitude of neurogenesis in the dentate gyrus. However, we do not know how



the new neurons function when they are born in a pathological environment. This information is crucial for potential



neuronal repair strategies utilizing endogenous neural progenitor cells.



In this thesis, we used electrophysiological techniques to study the functional integration of new neurons born in a pathological environment. In the first study, we used an animal model of temporal lobe epilepsy, status epilepticus



(SE), characterized by abnormal seizure activity, cell death and inflammation. In the second study we caused inflammation by intrahippocampal administration of lipopolysaccharide (LPS), which induced a strong inflammatory response but no seizure activity or cell death. After the insult, the new cells were labeled with a retrovirus tagged with green



fluorescent protein (GFP), which incorporates into dividing cells and the protein is expressed throughout the cell body and processes.The new cells were identified in acute brain slices based on their GFP expression and subjected whole-cell patch-clamp recordings.



We found that after SE the synaptic properties of the newborn neurons were consistent with enhanced inhibition



and reduced excitation, indicating they may act to attenuate the hyperexcitability caused by epilepsy. After the LPS-induced inflammation, the new neurons also received enhanced inhibitory input. Our findings indicate that the environment in which new neurons are born dramatically influences their synaptic integration into the circuitry. The overall functional significance is not known, and further studies are warranted in order to understand underlying mechanisms. Such investigations may lead to potential neuronal replacement strategies harnessing endogenous neural progenitor cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tidigare trodde man att den vuxna hjärnan inte hade någon förmåga att nybilda nervceller.



Detta skulle innebära att nervceller aldrig blev ersatta om de skadades eller dog. Nu vet man däremot att den vuxna hjärnan fortfarande producerar nya nervceller från särskilda



moderceller, s.k. stamceller, belägna i åtminstone två områden i hjärnan: subgranulära zonen i hippocampus och i den subventrikulära zonen längs de laterala ventriklarna. Det görs för



nuvarande stora satsningar för att klargöra betydelsen av de nervceller som bildas i den



vuxna hjärnan.



Ett flertal studier har påvisat ett samband mellan hjärnstrukturen hippocampus och inlärnings-



och minnesförmåga. Detta tyder på att de nervceller som bildas i vuxen ålder har



en fysiologisk funktion inom det etablerade nervcellsnätverket i hippocampus. Vidare har studier av dessa nybildade nervceller visat att de i normalt tillstånd utvecklas till fullt fungerande nervceller som integreras i nervcellsnätverket, omöjliga att särskilja från de övriga nervcellerna i nätverket.



Eftersom hippocampus kan påverkas vid en hjärnskada som t.ex. ischemi och epilepsi,samt sjukdomar som är förenade med kognitiv nedsättning, så har den vuxna nervcellsnybildningen en terapeutisk potential, då den skulle kunna ersätta skadade eller döda nervceller. Man har visat att ett flertal sjukdomar i hjärnan ökar eller minskar omfattningen av nervcellsnybildning i hippocampus. Det är däremot inte känt hur nervcellerna fungerar när de bildas i en skadad omgivning. Denna kunskap är avgörande när det kommer till att utvärdera möjligheten att använda denna vuxna nervcellsnybildning för att ersätta skadade eller döda nervceller.



I denna avhandling använde vi en speciell teknik, s.k. elektrofysiologi, för att studera integrationen av nervceller som bildats i en skadad omgivning. I den första studien använde



vi en djurmodell av epilepsi som kallas status epilepticus (SE), och i den andra studien framkallade vi inflammation och skadad miljö i hippocampus genom att injicera en substans som heter lipopolysackarid (LPS). SE karakteriseras av onormala krampanfall, celldöd och inflammation; medan injektion av LPS orsakar en massiv inflammation, men utan varken anfall



eller celldöd. De nervceller som bildades efter respektive skada, märktes in med hjälp av ett virus kopplat till ett självlysande grönt protein, s.k. GFP. GFP-genen sätts då in i DNAt



hos de delande cellerna och är detekterbart i flera månader därefter. Baserat på GFP-uttryck, upptäcks cellerna i färska hjärnsnitt, och cellerna undergår sedan detaljerade undersökningar av elektrisk aktivitet, s.k. whole-cell patch-clamp.



Nervcellerna som bildats i en skadad miljö, analyserades med avseende på cellmembran- och synapsegenskaper. Vi fann att varken SE eller LPS gav upphov till någon märkbar förändring i egenskaperna hos cellmembranet. Efter SE däremot, uppvisade de nybildade



cellerna en förhöjd inhibering, dvs. hämning av elektrisk aktivitet och reducerad excitering, dvs. ökning av elektrisk aktivitet, vilket kan betyda att dessa celler kan bidraga till att



lugna ner det av epilepsi överexciterade hippocampus. Efter inflammationen som orsakats av LPS, uppvisade de nybildade nervcellerna en förhöjd hämning av den elektriska aktivieteten.



Sammanfattningsvis påvisar våra resultat att den omgivning som nervcellerna föds



in i, dramatiskt påverkar deras beteende i nätverket. Den allmängiltiga betydelsen av detta är



inte uppenbar ännu, och fortsatta studier kommer att behövas för att verkligen kunna förstå de underliggande mekanismerna. Sådana undersökningar kan potentiellt leda till strategier



för nervcellsersättning genom utnyttjande av de speciella stamceller som finns i hjärnan.

• author: Jakubs, Katherine
• supervisor: Merab Kokaia; Olle Lindvall
• opponent: Dr. Schinder, Alejandro, Fundación Instituto Leloir, Buenos Aires, Argentina
• organization: Neurology, Lund
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: neuropsykologi, neurofysiologi, Neurologi, synaptic plasticity, GABA, glutamate, GFP, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, hippocampus, dentate gyrus, neurogenesis, LPS, inflammation, epilepsy, SE, patch-clamp
• pages: 101 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum BMC A10, Sölvegatan 17 221 84 Lund
• defense date: 2007-05-24 09:15:00
• ISBN: 978-91-85559-68-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Katherine Jakubs, Avtandil Nanobashvili, Sara Bonde, Christine T. Ekdahl, Zaal Kokaia, Merab Kokaia and Olle Lindvall. 2006. Environment Matters: Synaptic Properties of Neurons Born in the Epileptic Adult Brain Develop to Reduce Excitability. Neuron, vol 52 pp 1047-4059.; Katherine Jakubs, Sara Bonde, Robert E. Iosif, Christine T. Ekdahl, Zaal Kokaia, Merab Kokaia and Olle Lindvall. . Inflammation Enhances Inhibitory Synaptic Input to Neurons Born in the Adult Brain. (manuscript)
• id: cd969b88-708d-475b-9881-7759ea121379 (old id 548559)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:58:18
• date last changed: 2018-11-21 20:37:46