Spike timing-dependent plasticity and basal synaptic transmission characterization at hippocampal Schaffer collateral-CA1 synapses of adult APP/PS1 Alzheimer's disease mice

Abstract

Spike timing-dependent plasticity (STDP) is a Hebbian form of synaptic plasticity, and a strong candidate to underlie learning and memory at single neuron level. STDP has been studied profoundly in 1-month old mice (juveniles) and 2-3 months old mice (young adults). However, to the best of our knowledge, STDP in mature adults, e.g. 6 months old mice, has not been described until today. Using whole cell patch clamp recordings in CA1 pyramidal neurons of acute transversal hippocampal slices, we investigated timing-dependent long-term potentiation (t-LTP) induced by distinct STDP paradigms at Schaffer collateral (SC)-CA1 synapses in 6 months old C57Bl/6J mice (fully developed system; adults). T-LTP was induced by pairing 1 presynaptic half maximal stimulation (subthreshold EPSP) with 1 postsynaptic action potential (AP) i.e. 1:1 STDP paradigm or 1 presynaptic stimulation paired with 4 postsynaptic APs i.e 1:4 STDP paradigm. Our results show that t-LTP can be induced even in fully developed adult mice with different and even low repeat STDP paradigms. Distinct STDP paradigms elicited significant t-LTP at hippocampal SC-CA1 synapses of adult animals with similar efficiency. In comparison to juveniles, hippocampal SC-CA1 synapses of 6 months old mice displayed decreased t-LTP magnitude in response to 6x 1:1 stimulation (+10 ms spike timing interval), while higher t-LTP magnitude in response to 6x 1:1 stimulation (-10 ms spike timing interval). While similar t-LTP magnitudes, induced by 6x 1:4 stimulation (+10 ms spike timing interval), were observed in adults and juveniles. Moreover, adult mice expressed significantly decreased intrinsic excitability of CA1 pyramidal neurons and decreased paired-pulse facilitation at SC-CA1 synapses in the hippocampus compared to the results obtained in juvenile animals. Adults showed substantially increased GABAB receptor mediated EPSP components at SC-CA1 synapses compared to juveniles. The results from this dissertation indicate that developmental maturation alters STDP, intrinsic excitability of CA1 neurons, and short-term plasticity at SC-CA1 synapses in the hippocampus of 6 months old mice. Alzheimer’s disease (AD) is a multifaceted neurodegenerative disorder characterized by progressive and irreversible cognitive decline, with no disease-modifying therapy until today. Although several studies reported impaired LTP in AD mouse models, the impact of Amyloid β (Aβ) pathology on STDP in the hippocampus remains unknown. Henceforth, we investigated t-LTP at SC-CA1 synapses in the hippocampus of 6 months old (adult) APP/PS1 AD model mice. Adult APP/PS1 mice displayed intact t-LTP induced by low as well as high repeat 1:1 or 1:4 STDP paradigms when the position of Aβ plaques relative to the recorded CA1 neuron in the slice were not considered. However, when Aβ plaques were live stained with the fluorescent dye Methoxy-X04, we observed that in CA1 neurons with their somata <200 μm away from the border of the nearest Aβ plaque, t-LTP induced by 6x 1:4 stimulation was significantly impaired, while t-LTP was unaltered in CA1 neurons >200 μm away from plaques. Treatment of APP/PS1 mice with the anti-inflammatory drug fingolimod or voluntary running that we previously showed to alleviate synaptic deficits in this AD mouse model did not rescue the impaired t-LTP. Further, adult APP/PS1 mice expressed intact basal electrical properties of CA1 pyramidal neurons and spontaneous excitatory and inhibitory synaptic transmission at SC-CA1 synapses. Our data reveal that AD pathology in 6 months old APP/PS1 mice disrupts t-LTP in an Aβ plaque distance-dependent manner, and cannot be improved by fingolimod or voluntary running that have both been shown to rescue conventional LTP at SC-CA1 synapses in APP/PS1 mice. Finally, we observed that the A pathology in adult APP/PS1 mice does not compromise basal electrical properties of CA1 pyramidal neurons and synaptic properties at SC-CA1 synapses.

Spike Timing-abhängige Plastizität (STDP) ist eine Hebbsche Form der synaptischen Plastizität und ein Kandidat, um Lernen und Gedächtnis auf Einzelzelleben zu untersuchen (Hebbsche Lernregel). Die STDP wurde bei einen Monat alten Mäusen (Jungtiere) und 2-3 Monate alten Mäusen (junge Erwachsene) eingehend untersucht. Jedoch ist die STDP in erwachsenen, (z.B. 6 Monate alten) Mäusen, nach unserem besten Wissen bisher nicht beschrieben worden. Unter Verwendung von Ganzzell-Patch-Clamp-Ableitungen in CA1-Pyramidenneuronen aus akuten transversalen Schnitten des Hippokampus untersuchten wir die zeitabhängige Langzeitpotenzierung (t-LTP), die durch unterschiedliche STDP-Paradigmen an Schaffer-Kollateral (SC)-CA1 Synapsen in 6 Monate alten C57Bl/6J-Mäusen (voll entwickelte erwachsene Tiere) induziert wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die t-LTP bei voll entwickelten erwachsenen Mäusen mit unterschiedlichen STDP-Paradigmen induziert werden kann, die sich hinsichtlich der Anzahl und der Frequenz der synaptischen Stimulationen unterschieden. T-LTP konnte auch mit einem STDP-Paradigma ausgelöst werden, das aus nur sechs wiederholten prä- und postsynaptischen Stimulationen bestand (6x 1:1 bzw. 6x 1:4 t-LTP). Die verschiedenen STDP-Paradigmen zeigten dabei eine ähnliche Effizienz in der Induktion und Expression einer signifikanten t-LTP an den SC-CA1 Synapsen von 6 Monate alten Mäusen. Im Gegensatz zu den Resultaten in Jungtieren zeigten 6 Monate alte Mäuse eine geringere t-LTP als Reaktion auf 6x 1:1-Stimulation (+10 ms Spike-Timing-Intervall), während eine höhere t-LTP als Reaktion auf 6x 1:1-Stimulation (-10 ms Spike-Timing-Intervall) an den SC-CA1 Synapsen. Während ähnliche t-LTP, induziert durch 6x 1:4 Stimulation (+10 ms Spike-Timing-Intervall), bei Erwachsenen und Jungtieren beobachtet wurden. Darüber hinaus zeigten die adulten Tiere eine signifikant verminderte intrinsische Erregbarkeit in den CA1-Pyramiden-Neuronen und eine verminderte gepaarte Puls-Bahnung an SC-CA1 Synapsen des Hippocampus. Außerdem konnte an SC-CA1 Synapsen eine im Vergleich zu den juvenilen Mäusen deutlich erhöhte GABA(B)-Rezeptor-vermittelte EPSP-Komponenten nachgewiesen werden. Insgesamt deuten die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation darauf hin, dass die intrinsische Erregbarkeit von CA1-Neuronen, die Entwicklung der STDP und die Kurzzeit-Plastizität an SC-CA1-Synapsen im Hippocampus in 6 Monate alten Mäusen gegenüber juvenilen Mäusen deutlich verändert sind. Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist eine vielschichtige neurodegenerative Erkrankung, die durch einen fortschreitenden und irreversiblen kognitiven Rückgang gekennzeichnet ist und für die es bisher keine krankheitsmodifizierende Therapie gibt. Obwohl mehrere Studien über LTP-Störungen im Hippocampus bei der AD-Pathologie berichten, war ihr Einfluss auf die STDP im Hippocampus bisher unbekannt. Aus diesem Grund untersuchten wir die t-LTP an SC-CA1 Synapsen im Hippocampus von 6 Monate alten APP/PS1 AD-Mäusen. Adulte APP/PS1 Tiere zeigten eine intakte t-LTP, die sowohl durch niedrige als auch hohe Wiederholungsraten von 1:1 oder 1:4 STDP-Paradigmen induziert werden konnte, wenn die Lokalisation von Amyloid-Plaques β (Aβ) in Relation zu der abgeleiteten CA1-Pyramidenzelle in den Schnitten unberücksichtigt blieben. Allerdings beobachteten wir, dass in CA1-Neuronen, deren Somata <200 μm vom Rand der nächstgelegenen Plaque Aβ entfernt waren, die durch 6x 1:4-Stimulation induzierte t-LTP in APP/PS1-Mäusen signifikant beeinträchtigt war, wohingegen die t-LTP in CA1-Neuronen >200 μm von den Plaques entfernt, unverändert war. Die chronische Behandlung von APP/PS1-Mäusen mit Fingolimod oder den freiwilligen Laufen auf einem Laufrad war nicht ausreichend, um die beeinträchtigte t-LTP in APP/PS1-Mäusen zu retten. Darüber hinaus zeigten APP/PS1-Mäuse intakte basale elektrische Eigenschaften der CA1-Pyramidenneurone und unveränderte spontane exzitatorische und inhibitorische synaptische Ströme in CA1-Neuronen. Insgesamt zeigen unsere Daten, dass in AD-Modellmäusen, die APP- und PS1-Proteinvarianten mit Mutationen überexprimieren, die in Patienten mit familärer AD vorkommen, die t-LTP, an SC-CA1 Synapsen in einer Aβ Plaque-distanzabhängigen Weise gestört wird. Die neuronale Erregbarkeit der CA1-Pyramidenzellen und die basala synaptische Transmission an SC-CA1 Synapsen des Hippocampus im von 6 Monate alten Mäusen ist in APP/PS1-Mäusen hingegen unbeeinträchtigt.