Influence of inducible, selective deletion of NR1 subunit of NMDA receptor on electrical activity of midbrain dopaminergic neurons of the mice

Neurony syntetyzujące dopaminę (DA) znajdujące się w brzusznym polu nakrywki (z ang. ventral tegmental area , VTA) oraz w części zbitej substancji czarnej (z ang. substantia nigra pars compacta SNc) tworzą system nagrody i motywacji (VTA) oraz kontrolują funkcje ruchowe (SNc). Toniczny poziom uwalnianej dopaminy w strukturach docelowych zapewnia podstawowy poziom motywacji i sprawność funkcji motorycznych, podczas gdy fazowy wzrost ilości uwalnianej dopaminy sygnalizuje pojawienie się nagrody oraz indukuje zachodzenie procesów plastyczności synaptycznej. Dwa tryby uwalniania dopaminy maja swoje podłoże w różnych wzorcach aktywności elektrycznej neuronów dopaminergicznych. Nieregularny wzorzec aktywności elektrycznej ma za zadanie utrzymanie podstawowego poziomu uwalnianej dopaminy, podczas gdy aktywność erupcyjna leży u podstaw fazowego uwalniania dopaminy. Pokazano, że zmiany aktywności elektrycznej neuronów dopaminergicznych leżą u podłoża patogenezy uzależnień od narkotyków, depresji oraz innych chorób psychicznych. Głównymi regulatorami aktywności neuronów dopaminergicznych są wejścia pobudzające (glutaminergiczne oraz cholinergiczne) docierające z pnia mózgu oraz wejścia hamujące, obejmujące przekaźnictwo GABAergiczne. Wcześniejsze badania nad wpływem wejść cholinergicznych na aktywność neuronów dopaminergicznych pokazały, że podanie agonistów cholinergicznych podnosi poziom aktywności neuronów dopaminergicznych. Co więcej, bezpośrednie podanie carbachol (niespecyficznego agonisty receptorów cholinergicznych) do VTA skutkuje wzrostem ilości uwalnianej dopaminy w strukturach unerwianych przez neurony dopaminergiczne. Chociaż podjednostka NR1 receptora NMDA uważana jest za kluczową i niezbędną do pojawienia się aktywności erupcyjnej, nadal niewiele wiadomo o możliwych mechanizmach niezależnych od receptora NMDA, które mogą być zaangażowane w pojawienie się tego szczególnego wzorca aktywności.Celem niniejszej pracy jest określenie roli receptorów cholinergicznych w generowaniu aktywności erupcyjnej. W badaniach użyto modelu genetycznie modyfikowanych myszy z selektywną, indukowalną delecją podjednostki NR1 receptora NMDA na neuronach dopaminergicznych. Użycie tego modelu pozwala na precyzyjną kontrolę zarówno miejsca jak i czasu zajścia delecji. W ramach badań przeprowadzono rejestracje zewnątrzkomórkowe in vivo na zwierzętach pod narkozą urethanową, połączone z jontoforetycznym podawaniem substancji. Podczas eksperymentów testowano odpowiedzi rejestrowanych neuronów dopaminergicznych na podanie NMDA oraz carbacholu. Większość zarejestrowanych neuronów zarówno u zwierząt kontrolnych jak i u mutantów odpowiedziała zwiększeniem poziomu aktywności na podanie carbachol. Co więcej, pewna populacja neuronów w obu grupach rozwijała wyraźną i wydłużoną aktywność erupcyjną pod wpływem carbacholu. Przedstawione wyniki pokazują, że neurony dopaminergiczne mogą zachować zdolność do generowania erupcyjnego wzorca aktywności, mimo ingerencji w receptor NMDA i braku podjednostki NR1. Pokazuje to, że stymulacja receptorów cholinergiczny może być wystarczająca to rozwinięcia erupcji, a zjawisko to prawdopodobnie angażuje mechanizmy niezależne od receptora NMDA.

Dopamine (DA) synthesizing neurons within ventral tegmental area (VTA) and substantia nigra pars compacta (SNc) of the mammalian brain form the core of reward and motivation system. Tonic release of DA into target structures supports animals’ basal motivation and motor functions, while phasic increase of released DA signals reward and induces synaptic plasticity. Different modes of dopamine release arise from distinct action potential firing patterns of dopaminergic neurons. Bursting pattern of activity leads to phasic dopamine release in target structures, while irregular firing supports basal level of released dopamine. It has been shown that altered electrical activity of dopaminergic neurons is involved in the pathogenesis of drug addiction, depression and several other psychiatric diseases. The main regulators of dopaminergic neuron activity are excitatory inputs (glutamatergic and cholinergic) arising from brain stem and GABAergic afferents. Previous studies investigating role of cholinergic inputs on activity of dopaminergic neurons revealed that application of cholinergic agonists increase firing rate of putative dopaminergic neurons. Moreover, infusion of carbachol (non-selective cholinergic agonist) directly to VTA resulted in increased amount of released dopamine in targeted structures. Although NR1 subunit of NMDA receptor is believed to be crucial to develop bursting activity, little is known about possible NMDA-independent mechanisms underlying this activity pattern.The aim of my study was to determine role of activation of cholinergic receptors in development of bursting activity mode. In my research I have used genetically modified strain of mice with selective, inducible knock-out of NR1 subunit of NMDA receptor. Use of this genetic model allowed for precise control of both time and target of NR1 subunit deletion. Extracellular in vivo recordings of dopaminergic cells’ activity were conducted on urethane anesthetized animals and combined with iontophoretic drug application. During the experiments responses of DA-like neurons in the VTA and SNc of both controls and mutant animals to administration of NMDA and carbachol were tested. Majority of recorded neurons in both experimental groups responded with increase of firing rate to iontophoretically applied carbachol. Surprisingly, subpopulation of neurons, both in controls and in mutant animals developed robust, complex burst under the influence of carbachol. My results show that in mutant animals, dopaminergic neurons preserved ability to switch into bursting mode of activity, despite inactivation of NMDA receptor by deletion of NR1 subunit. It revealed that stimulation of cholinergic receptors can be sufficient to induce development of bursting pattern of DA neuron firing and this phenomenon may involve mechanisms independent of NMDA receptor.