Dokument: Sodium dynamics in neurons and astrocytes under epileptifom conditions

Titel:	Sodium dynamics in neurons and astrocytes under epileptifom conditions
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=32897
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20141209-111023-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Karus, Claudia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,09 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 08.12.2014 / geändert 08.12.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine R. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Klöcker [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Das lokale Milieu im zentralen Nervensystem von Säugetieren wird durch Astrozyten reguliert, welche über eine Vielzahl feiner Ausläufer mit Neuronen, Blutgefäßen sowie benachbarten Astrozyten in Kontakt stehen. Mittels dieser Fortsätze sind Astrozyten in der Lage, die Homöostase von Ionen, Neurotransmittern und des Energiehaushalts zu kontrollieren. Zusätzlich nehmen sie neuronale Aktivität wahr und modulieren diese aktiv. Ein Großteil dieser Funktionen ist eng mit dem Na+-Gradienten verknüpft, welcher als wichtige Triebkraft für Transportprozesse über die Membran dient und daher unter Energieverbrauch von der Na+/K+-ATPase aufrecht erhalten wird. Aufgrund der Vielfalt und funktionellen Relevanz Na+-abhängiger Prozesse liegt die Annahme nahe, dass vorübergehende sowie langanhaltende Konzentrationsänderungen sowohl in Neuronen als auch in Astrozyten zur Informationsverarbeitung beitragen können. Na+-Signale könnten somit als zusätzlicher Faktor in der bidirektionalen Kommunikation zwischen Neuronen und Astrozyten angesehen werden. Bisherige Untersuchungen konnten zeigen, dass Änderungen der Na+-Konzentration in Neuronen und Astrozyten durch artifizielle Stimulation hervorgerufen werden können. Ob und in welchem Maße die Aktivität des intrinsischen Netzwerkes Na+-Fluktuationen hervorbringen kann, ist dagegen bislang unbekannt. Zur Klärung dieser Fragestellung untersuchten wir wiederkehrende, epileptiforme Entladungen in akuten, hippocampalen Hirnschnitten adoleszenter Mäuse. Mittels quantitativer Fluoreszenzmikroskopie des Na+-sensitiven Farbstoffs SBFI und simultaner Aufzeichnung der lokalen Feldpotentiale konnten wir synchrone, große und langanhaltende Na+-Transienten in Neuronen und Astrozyten beobachten. Trotz der stetigen Pumpaktivität der Na+/K+-ATPase erreichten die Transienten mit einer mittleren Amplitude von rund 7 mM in Neuronen und 3 mM in Astrozyten sowie einer Abfallszeitkonstante von jeweils 18 s bzw. 6 s nennenswerte Dimensionen. Darüber hinaus waren die Zellen trotz der Beanspruchung durch die starke, wiederkehrende Aktivität in der Lage, ihre grundlegende Homöostase zu bewahren. Pharmakologische Blockade der Glutamattransporter dagegen induzierte zunächst die Akkumulation von Na+ in Neuronen, gefolgt von Zellschwellung und exzitotoxischer Schädigung. Die Hemmung der astroglialen Energiegewinnung führte während wiederkehrender Entladungen zum Anstieg der Na+-Konzentration in Neuronen und Astrozyten. Zusätzlich war die Dauer der Entladungen sowie der Na+-Transienten verlängert. Zusammenfassend zeigen diese Experimente, dass große, langanhaltende Na+-Transienten während synchroner Aktivierung des intrinsischen Netzwerkes auftreten. Des Weiteren scheinen Neurone zur Aufrechterhaltung ihrer Na+-Homöostase bei verstärkter Aktivität auf die metabolische Unterstützung durch Astrozyten angewiesen zu sein. In the mammalian central nervous system, astrocytes monitor and regulate their local microenvironment. Their multiple fine processes, which make contact to neurons, blood vessels and adjacent astrocytes, are appropriately equipped to control homeostasis as well as to detect and actively modulate information processing. Many of these functions such as regulation of ion and neurotransmitter levels as well as energy supply are closely linked to the Na+ gradient as a key transmembrane driving force. Therefore, to maintain this driving force, the intracellular Na+ concentration is stabilized by the ATP-consuming activity of the Na+/K+ATPase. Hence, we propose that, due to the variety and functional relevance of Na+-dependent processes, transient as well as prolonged changes of Na+ levels in both neurons and astrocytes could be involved in information processing and thereby constitute yet another component of neuron-glial crosstalk. Although previous studies showed the appearance of Na+ concentration changes in neurons and astrocytes upon external, artificial stimulation, it remained unclear to which extent intracellular Na+ fluctuations occur during activity of the endogenous brain circuitry. To tackle that question, we performed quantitative fluorescence imaging of the sodium sensitive fluorescent dye SBFI and local field potential recordings during recurrent epileptiform discharges in acute hippocampal slices of adolescent mice. We observed synchronous, large and long-lasting Na+ transients in neurons and astrocytes with average peak changes of 7 mM and 3 mM as well as decay time constants of 18 s and 6 s, respectively. Thus, despite the steady Na+/K+ATPase activity, considerable Na+ changes were generated. Still, although challenged by strong, recurrent activation, cells maintained their overall homeostasis for prolonged periods. In contrast, pharmacological inhibition of glutamate transporters induced neuronal Na+ accumulation, followed by swelling, and excitotoxic damage. Moreover, impairment of astroglial energy production during recurrent discharges increased the Na+ concentration in astrocytes and neurons and prolonged both discharge duration and Na+ transients. In conclusion, our results show that large and long-lasting Na+ transients occur during synchronized activity of the endogenous circuitry. The experiments suggest that metabolic support of neurons during enhanced activity, provided by astrocytes, is necessary to maintain neuronal Na+ homeostasis.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	09.12.2014
Dateien geändert am:	09.12.2014
Promotionsantrag am:	15.09.2014
Datum der Promotion:	30.10.2014