The striatum receives glutamatergic afferents from the cortex and thalamus, and these synaptic transmissions are mediated by ${\alpha}$-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate (AMPA) and N-methyl D-aspartate (NMDA) receptors. The purpose of this study was to characterize glutamate receptors by analyzing NMDA/AMPA ratio and rectification of AMPA and NMDA excitatory postsynaptic currents (EPSCs) using a whole-cell voltage-clamp method in the dorsal striatum. Receptor antagonists were used to isolate receptor or subunit specific EPSC, such as (DL)-2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV), an NMDA receptor antagonist, ifenprodil, an NR2B antagonist, CNQX, an AMPA receptor antagonist and IEM-1460, a GluR2-lacking AMPA receptor blocker. AMPA and NMDA EPSCs were recorded at - 70 and + 40 mV, respectively. Rectification index was calculated by current ratio of EPSCs between + 50 and - 50 mV. NMDA/AMPA ratio was 0.20${\pm}$0.05, AMPA receptor ratio of GluR2-lacking/GluR2-containing subunit was 0.26${\pm}$0.05 and NMDA receptor ratio of NR2B/NR2A subunit was 0.32${\pm}$0.03. The rectification index (control 2.39${\pm}$0.27) was decreased in the presence of both APV and combination of APV and IEM-1460 (1.02${\pm}$0.11 and 0.93${\pm}$0.09, respectively). These results suggest that the major components of the striatal glutamate receptors are GluR2-containing AMPA receptors and NR2A-containing NMDA receptors. Our results may provide useful information for corticostriatal synaptic transmission and plasticity studies.
The glutamate receptors (GluRs) are key receptors for modulatory synaptic events in the central nervous system. It has been reported that glutamate increases the intracellular $Ca^{2+}$ concentration ($[Ca^{2+}]_i$) and induces cytotoxicity. In the present study, we investigated whether the glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase was associated with the activation of ionotropic (iGluR) and metabotropic GluRs (mGluR) in substantia gelatinosa neurons, using spinal cord slice of juvenile rats (10${\sim}21 day). $[Ca^{2+}]_i$ was measured using conventional imaging techniques, which was combined with whole-cell patch clamp recording by incorporating fura-2 in the patch pipette. At physiological concentration of extracellular $Ca^{2+}$, the inward current and $[Ca^{2+}]_i$ increase were induced by membrane depolarization and application of glutamate. Dose-response relationship with glutamate was observed in both $Ca^{2+}$ signal and inward current. The glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase at holding potential of -70 mV was blocked by CNQX, an AMPA receptor blocker, but not by AP-5, a NMDA receptor blocker. The glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase in $Ca^{2+}$ free condition was not affected by iGluR blockers. A selective mGluR (group I) agonist, RS-3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG), induced $[Ca^{2+}]_i$ increase at holding potential of -70 mV in SG neurons. These findings suggest that the glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase is associated with AMPA-sensitive iGluR and group I mGluR in SG neurons of rats.
신경흥분독성과 간질발작발현은 glutamate 수용체활성과 연관이 있다고 알려져 있다. a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionate (AMPA), kainate 수용체에 대한 glutamate 활성을 포함하는 다양한 기전을 가진 항전간제인 Topiramate는 신경보호작용을 가진다는 증거가 제시되어 Topiramate가 간질발작 후 해마의 glutamate 수용체 발현에 미치는 효과를 관찰하였다. 흰쥐에 kainate를 복강 내 주사하여 간질중첩증을 유발시킨 후 Topiramate를 1주일 주사하였다 Apop tag in situ detection kit를 이용하여 세포손상을 관찰한 결과 kainate 유발 간질중첩증 1주일 후 해마의 CA1, CA3에서 심각한 세포사를 보였으나, Topiramte 처리 군에서는 세포사가 현저히 감소하였다. 간질중첩증 이후 NMDA 수용체 아형 1,2a, 2b 발현이 현저히 증가했으나 Topiramate 처치에 의해 NMDA수용체의 발현에는 뚜렷한 변화가 없었다. AMPA수용체에서는 GluR1이 간질중첩증 이후 현저히 상향 조정되었고 GluR2는 현저히 하향조정 되었다 Topiramate 1주일 처리 시 간질중첩증으로 인해 변화된 CluR1과 GluR2의 발현이 역전되었다. 결론적으로 Topiramate는 간질중침증에 의한 CluR1/CluR2 발현비의 증가로 유발되는 흥분성 신경세포사를 억제시킴으로써 신경보호작용이 있는 것으로 보인다.
Kim, Chul-Yun;Choi, Hye-Young;Yang, Yeun-Jin;Choi, Byung-Tae
동의생리병리학회지
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제25권5호
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pp.881-886
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2011
AMPA receptor (AMPAR)s are heterotetrameric structures made up from 4 units (GluR1-4) and are thought to underlie perception of persistent inflammatory pain. Complete Freund's adjuvant (CFA)-evoked inflammation induces synaptic GluR2 internalization, which is initiated by GluR2 phosphorylation, in dorsal horn neurons during the maintenance of CFA-induced hypersensitivity. The present study investigated whether electroacupuncture (EA) stimulation has any effect on GluR2 trafficking by using immunoblot and immunohistochemistry. We examined that CFA-induced dorsal horn GluR2 internalization was attenuated by EA treatment. EA treatment could also decrease the level of pGluR2 regardless of whether CFA injection was administrated or not. In addition, previous studies suggest that microglial cells are increased without morphological change in CFA injected animal. In our study, increases in microglial cells in CFA group were observed, whereas EA with or without CFA-injected group showed similar aspects with normal group. In conclusion, our results indicate that EA might blunt CFA-evoked inflammation by coordinating mechanisms at the upstream step of neuron activation and GluR2 phosphorylation.
목적: 한국관박쥐 망막의 기능을 알아보기 위해서 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트 수용체의 분포도를 분석하였다. 방법: 성체 한국관 박쥐의 망막을 $40{\mu}m$ 수직 절편 한 후 표준면역세포화학법을 이용하였다. 면역형광이미지는 Bio-Rad MRC 1024 공초점 현미경을 사용하여 얻었다. 결과: AMPA (GluR1-4), Kainate (GluR5-7, KA1-2), NMDA (1, 2A, 2B)는 내망상층과 외망상층에 주로 분포되어 있었다. KA1은 신경절세포층에도 많은 수의 수용체가 존재하였다. 결론: 한국관박쥐는 포유류망막에 있는 신경세포와 신경전달물질을 동일하게 가지고 있었다. 한국관박쥐도 기능적 망막을 가지고 있음을 제시한다.
뇌 해마의 콜린성 신경분포는 학습과 기역에 연관성이 있는 것으로 알려져 있으며 이의 작용제인 carbachol 투여 시 장기기억 저하가 유도됨이 알려져 왔다. 그러나 이러한 콜린성 자극에 의한 해마 신경세포의 시냅스 내 변화기작은 완전히 알려지지 않고 있다. 본 연구에서는 아세틸콜린 수용체의 활성에 의하여 유도되는 장기기억 저하 현상에 있어 alpha-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate (AMPA) 수용체가 후시냅스 표면으로부터 사라지는 현상과 이의 조절기작에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위하여 쥐 해마의 일차세포를 추출하고 체외에서 배양한 성숙 신경세포에 carbachol 을 투여하여 장기기억 저하를 유도 하였으며, 후시냅스의 표면으로부 터 AMPA 수용체의 아단위체인 GluA2가 M1 무스카린 수용체의 길항제에 의하여 저해 되었다. 또한 콜린성 자극 에 의한 GluA2의 내재화 현상의 작용기작 연구를 위하여 쥐 해마 절편에 carbachol 투여 후 GluA2와 직접적인 상호작용을 하는 Glutam내재화 되었음을 확인하였다. 이러한 현상은 ate receptor-interacting protein 1 (GRIP1) 과 clathrine 단백질이 매개하는 세포내이입 작용을 하는 adaptin-α 단백질의 결합 변화를 관찰하였다. GluA2는 carbachol 자극에 의해 세포내이입 과정에서 adaptin-α 와의 결합이 증가하였으며 반대로 GRIP1과는 해리되었다. 이는 아세틸콜린의 수용체의 자극에 의하여 GluA2의 내제화 작용이 수반되며, 이의 작용기작으로 GluA2의 후시 냅스 표면 발현시에 결합하고 있는 GRIP1과 해리 되면서 장기기억 저하 현상이 유도됨을 의미한다.
The medial vestibular nucleus (MVN) neurons are controlled by excitatory synaptic transmission from the vestibular afferent and commissural projections, and by inhibitory transmission from interneurons. Spontaneous synaptic currents of MVN neurons were studied using whole cell patch clamp recording in slices prepared from 13- to 17-day-old rats. The spontaneous inhibitory postsynaptic currents (sIPSCs) were significantly reduced by the $GABA_A$ antagonist bicuculline ($20{\mu}M$), but were not affected by the glycine antagonist strychnine ($1{\mu}M$). The frequency, amplitude, and decay time constant of sIPSCs were $4.3{\pm}0.9$ Hz, $18.1{\pm}2.0$ pA, and $8.9{\pm}0.4$ ms, respectively. Spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) were mediated by non-NMDA and NMDA receptors. The specific AMPA receptor antagonist GYKI-52466 ($50{\mu}M$) completely blocked the non-NMDA mediated sEPSCs, indicating that they are mediated by an AMPA-preferring receptor. The AMPA mediated sEPSCs were characterized by low frequency ($1.5{\pm}0.4$ Hz), small amplitude ($13.9{\pm}1.9$ pA), and rapid decay kinetics ($2.8{\pm}0.2$ ms). The majority (15/21) displayed linear I-V relationships, suggesting the presence of GluR2-containing AMPA receptors. Only 35% of recorded MVN neurons showed NMDA mediated currents, which were characterized by small amplitude and low frequency. These results suggest that the MVN neurons receive excitatory inputs mediated by AMPA, but not kainate, and NMDA receptors, and inhibitory transmission mediated by $GABA_A$ receptors in neonatal rats.
본 연구자들의 앞선 연구에서는 햄스터 상구에서 AMPA 수용체의 아형인 GluR1과 GluR4의 분포와 눈 적출 이후 이들 수용체의 분포를 면역세포화학적 방법으로 연구하였다. 또한, 표지한 GluR1과 GluR4를 칼슘결합단백질인 calbindin D28K, calretinin, parvalbumin과 GABA로 표지하여 비교하였다. 본 연구에서 역행성이동추적물질(retrograde tracer)인 호스래디시퍼옥시다아제(horseradish peroxidase, HRP)를 상구의 각 주요 상행로와 하행로에 주입함으로써 GluR1- 면역반응 신경세포들과 GluR4- 면역반응 신경세포들이 투사신경세포(projection neurons)임을 밝혀내었다. Tecto-reticulospinal pathway (TRS)와 dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN)으로 HRP 를 주입한후, 햄스터들은 회복을 위해 48시간 동안 살려둔 뒤 관류(perfusion)하였다. GluR- 면역반응 처리된 절편들은 역행성 표지된 신경세포를 지님을 확인하였다. HRP를 주입하였더니 단지 적은 수의 GluR1- 면역반응 신경세포들이 TRS (1.4%)와 dLGN (2.6%)으로 투사되었고, 반면에 많은 수의 GluR4- 면역반응 신경세포들이 TRS (32.7%)로 투사되었다. 사이/투사 신경세포(inter/projection neurons)들은 GluR 아단위들의 분류된 분포와 차별화된 양상을 보였고 이들의 이러한 분포는 칼슘결합단백질들과 GABA와는 겹쳐지지 않았으며, 일전에 발표했던 시각적 행동 반응에서 안구 적출 후 수용체 아단위들의 기능적 다양화와는 차별화된 양상을 보였다.
Recent studies indicate that mitochondria are an important source of reactive oxygen species (ROS) in the spinal dorsal horn. In our previous study, application of malate, a mitochondrial electron transport complex I substrate, induced a membrane depolarization, which was inhibited by pretreatment with ROS scavengers. In the present study, we used patch clamp recording in the substantia geletinosa (SG) neurons of spinal slices, to investigate the cellular mechanism of mitochondrial ROS on neuronal excitability. DNQX (an AMPA receptor antagonist) and AP5 (an NMDA receptor antagonist) decreased the malate-induced depolarization. In an external calcium free solution and addition of tetrodotoxin (TTX) for blockade of synaptic transmission, the malate-induced depolarization remained unchanged. In the presence of DNQX, AP5 and AP3 (a group I metabotropic glutamate receptor (mGluR) antagonist), glutamate depolarized the membrane potential, which was suppressed by PBN. However, oligomycin (a mitochondrial ATP synthase inhibitor) or PPADS (a P2 receptor inhibitor) did not affect the substrates-induced depolarization. These results suggest that mitochondrial substrate-induced ROS in SG neuron directly acts on the postsynaptic neuron, therefore increasing the ion influx via glutamate receptors.
Auditory fear memory is thought to be maintained by fear conditioning-induced potentiation of synaptic efficacy. The conditioning-induced potentiation has been shown to be maintained, at least in part, by enhanced expression of surface AMPA receptor (AMPAR) at excitatory synapses in the lateral amygdala (LA). Depotentiation, reversal of conditioning-induced potentiation, has been proposed as a cellular mechanism for fear extinction. However, a direct link between depotentiation and extinction has not yet been tested. To address this, we applied both ex vivo and in vivo approaches to rats in which fear memory had been consolidated. We found a novel form of ex vivo depotentiation; the depotentiation reversed conditioning-induced potentiation at thalamic input synapses onto the LA (T-LA synapses) ex vivo, and it could be induced only when both NMDA and metabotropic glutamate receptors were co-activated. Extinction returned the enhanced T-LA synaptic efficacy observed in conditioned rats to baseline and occluded the depotentiation. Consistently, extinction reversed conditioning-induced enhancement of surface expression of AMPAR subunits in LA synaptosomal preparations. A GluR2-derived peptide that blocks regulated AMPAR endocytosis inhibited depotentiation, and microinjection of a cell-permeable form of the peptide into the LA attenuated extinction. Our results are consistent with the use of depotentiation to weaken potentiated synaptic inputs onto the LA during extinction, and they provide strong evidence that AMPAR removal at excitatory synapses in the LA underlies extinction. The results described here are in line with previous findings. Neural activity in the LA has been shown to decrease after extinction in the rat and human. The NMDAR dependency of the depotentiation fits nicely with a large body of evidence that fear extinction depends upon amygdala NMDARs. Similarly, blockade of metabotropic glutamate recepotrs in the LA has recently been shown to attenuate fear extinction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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