Alpha-2 Adrenoceptors in the Paraventricular Thalamic Nucleus: Effects of Agonist Stimulation and Chronic Psychosocial Stress
Alpha-2 adrenerge Rezeptoren im Nucleus paraventricularis thalami: Effekte der Stimulation mit Agonisten und chronischem psychosozialen Stress
von Urs Heilbronner
Datum der mündl. Prüfung:2005-10-26
Erschienen:2005-11-04
Betreuer:PD Dr. Gabriele Flügge
Gutachter:PD Dr. Gabriele Flügge
Gutachter:Prof. Dr. Willhart Knepel
Gutachter:Prof. Dr. Friedrich-Wilhelm Schürmann
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
The catecholamines are important modulators of nerve cell activity. They exert their actions via G-protein coupled receptors among which are the alpha-2 adrenoceptors. The alpha-2 adrenoceptor family consists of three members, the alpha-2 adrenoceptor subtypes A, B and C that show differential expression in different areas of the mammalian brain. While subtypes A and C have been well studied before, little is known about subtype B that is strongly expressed in the thalamus. In the present thesis, the function of the alpha-2B adrenoceptor in the paraventricular thalamic nucleus (PVT) was studied using electrophysiological techniques (part I). The effects of chronic stress on expression of the thalamic alpha-2B adrenoceptor and on alpha-2 adrenoceptor ligand binding were investigated using in situ hybridization and in vitro receptor autoradiography, respectively (part II). Part I: In order to elucidate the cellular actions of the alpha-2B adrenoceptor and the morphology of PVT cells that are modulated by this receptor, electrophysiological whole-cell recordings and cell tracing methods were applied to slices of the rat brain. Based on pharmacological and physiological characterization, three distinct classes of PVT neurons were identified. The first class of neurons exhibits membrane hyperpolarization and a reduction in input resistance mediated by postsynaptic alpha-2 adrenoceptors upon stimulation with the agonist alpha-methyl-norepinephrine. In a second class of neurons, alpha-methyl-norepinephrine induces a slow membrane depolarization and an increase in input resistance mediated by postsynaptic alpha-1 adrenoceptors. These two effects (hyperpolarization versus depolarization) occur in distinct PVT neurons which differ in their resting properties and morphology. The actions of alpha-1/alpha-2 adrenoceptors are - at least partially - mediated through a modulation of putative potassium currents. Also, the firing patterns of PVT cells are temporarily changed by the influence of a lpha-methyl-norepinephrine. Finally, the third class of PVT neurons is insensitive to alpha-methyl-norepinephrine, has a lower input resistance and a larger dendritic tree compared to the two classes mentioned above. Part II: Alpha-2 adrenoceptor expression is known to be regulated by endogenous norepinephrine and previous studies have shown that a stress-induced increase in noradrenergic activity leads to changes in expression of the alpha-2A autoreceptor. The present work describes the effects of chronic psychosocial stress on the alpha-2B adrenoceptor in the thalamus using an established animal model, chronic social stress in tree shrews. In humans, chronic stress is known to play a role in psychiatric diseases such as depression and alpha-2 adrenoceptors have been reported to be changed in depressive subjects. In situ hybridization with a specific alpha-2B adrenoceptor probe was performed to quantify mRNA for the receptor, and in vitro receptor autoradiography with the non-selective alpha-2 adrenoceptor ligand [3H]RX821002 was used to determine receptor binding. The results show that the alpha-2B adrenoceptor is upregulated after a period of daily social stress lasting 44 days and that this effect is also found after a 10 days post stress recovery period. These results show that the thalamus, a brain region known for its gating functions with respect to information transfer to cortical brain regions, is affected by stress and that the effect persists post stress.
Keywords: Thalamus; paraventricular; alpha-2; alpha-1; adrenoceptor; noradrenaline; norepinephrine; electrophysiology; stress; morphology; tree shrew; Thalamus; Paraventrikulärer Thalamus; Alpha-2; Alpha-1; Rezeptor; Noradrenalin; Norepinephrin; Elektrophysiologie; Stress; Morphologie; Spitzhörnchen
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Katecholamine sind wichtige Modulatoren der
Aktivität von Nervenzellen. Diese Katecholamine wirken
auf G-protein gekoppelte Rezeptoren zu welchen auch
Alpha-2 adrenerge Rezeptoren zählen. Die Familie der
Alpha-2 adrenergen Rezeptoren besteht aus den drei
Subtypen A, B und C welche unterschiedliche Expression
in verschiedenen Gebieten des Säugergehirns zeigen. Die
Subtypen A und C der adrenergen Rezeptorfamilie wurden
intensiv untersucht, aber über den Subtyp B, welcher
stark im Thalamus exprimiert wird, ist bisher wenig
bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion
des Alpha-2B adrenergen Rezeptors im paraventrikulären
Kern des Thalamus mittels elektrophysiologischer
Methoden untersucht (Teil 1). Außerdem wurden die
Auswirkungen von chronischem Stress auf die Expression
thalamischer Alpha-2B adrenerger Rezeptoren und auf die
Ligandenbindung an Alpha-2 adrenerge Rezeptoren mit den
Techniken der in-situ
Hybridisierung und in-vitro
Rezeptorautoradiographie untersucht (Teil 2).
Teil 1: Um die zellulären
Effekte des Alpha-2B adrenergen Rezeptors und die
Morphologie von Zellen des PVT die durch diesen
Rezeptor moduliert werden zu untersuchen, wurden
elektrophysiologische Einzelzellableitungen und eine
Rekonstruierung der Morphologie dieser Zellen im
Hirnschnitt der Ratte durchgeführt. Auf der Basis von
pharmakologischer und physiologischer Charakterisierung
wurden drei unterschiedliche Klassen von PVT Neuronen
identifiziert. Die erste Klasse zeigt eine
Hyperpolarisation der Membran und eine Verringerung des
Einganswiderstands nach Stimulierung dieser mit dem
Agonisten Alpha-Methyl-Noradrenalin. Dieser Effekt wird
durch postsynaptische Alpha-2 adrenerge Rezeptoren
vermittelt. In einer zweiten Klasse von Neuronen
induziert die Gabe von Alpha-Methyl-Noradrenalin eine
Depolarisierung der Membran und einen Anstieg des
Eingangswiderstandes. Dieser Effekt wird durch
postsynaptische Alpha-1 adrenerge Rezeptoren
vermittelt. Die oben genannten Effekte
(Hyperpolarisation versus
Depolari sation) treten in distinkten PVT Neuronen auf
die sich sowohl in ihren Ruheeigenschaften als auch in
ihrer Morphologie unterscheiden. Die Effekte von
Alpha-1/Alpha-2 adrenergen Rezeptoren werden
zumindest teilweise durch eine Modulation von
Kaliumströmen verursacht. Auch das Feuerungsverhalten
von Zellen im PVT wird durch die Gabe von
Alpha-Methyl-Noradrenalin zeitweise verändert. Eine
dritte Klasse von Neuronen im PVT reagiert nicht auf
die Gabe von Alpha-Methyl-Noradrenalin und hat sowohl
einen geringeren Eingangswiderstand also auch einen
größeren Dendritenbaum verglichen mit den oben
genannten Klassen.
Teil 2: Es ist bekannt das die
Expression von Alpha-2 adrenergen Rezeptoren durch
endogenes Noradrenalin reguliert wird und frühere
Untersuchungen haben gezeigt das eine Stress-induzierte
Erhöhung der noradrenergen Aktivität zu Veränderungen
in der Expression von Alpha-2A adrenergen Rezeptoren
führt. Diese Arbeit beschreibt die Effekte von
chronischem psychosozialen Stress auf den Alpha-2B
adrenergen Rezeptor im Thalamus in einem etablierten
Tiermodell, chronischem psychosozialen Stress in
Spitzhörnchen. Beim Menschen spielt chronischer
psychosozialer Stress eine Rolle bei psychiatrischen
Krankheiten, zum Beispiel bei Depression, und es wurden
Veränderungen Alpha-2 adrenerger Rezeptoren in
depressiven Patienten berichtet.
In-situ hybridisation mit
einer für den Alpha-2B adrenergen Rezeptor spezifischen
Sonde wurden durchgeführt um mRNA für diesen Rezeptor
zu quantifizieren, und in-vitro Rezeptorautoradiographie mit
dem nicht Subtyp-selektiven Alpha-2 Liganden
[3H]RX821002 wurde benutzt um die
Rezeptorbindung zu quantifizieren. Die Ergebnisse
zeigen das der Alpha-2B adrenerge Rezeptor nach einer
44-tägigen Phase von täglichem psychosozialem Stress
hochreguliert ist und das dieser Effekt auch nach einer
10-tägigen post Stress
Erholungsphase gefunden wird. Diese Ergebnisse zeigen
das der Thalamus, eine Region die eher für ihre
Schlüsselfunktion beim Transfer von In formationen zu
Kortikalen Arealen des Gehirns bekannt ist, vom Stress
beeinflusst wird und das der Effekt post Stress bestehen bleibt.