Dokument: Unravelling the mechanisms for recovery from sodium loads in CA1 hippocampal neurons

Titel:	Unravelling the mechanisms for recovery from sodium loads in CA1 hippocampal neurons
Weiterer Titel:	Die Entwirrung der Mechanismen für die Verwertung von Natrium Lasten in CA1 Neuronen im Hippocampus
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=37444
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160308-090711-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Mondragão, Miguel [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,29 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 07.03.2016 / geändert 07.03.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine R. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Schmitt, Lutz [Gutachter]
Stichwörter:	sodium, electrophysiology, hippocampal neurons, sodium extrusion
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Natriumhomöostase ist von grundlegender Bedeutung für das zentrale Nervensystem. Obwohl es während neuronaler Aktivität zu Fluktuationen in der intrazellulären Natriumkonzentration kommt, wird diese im Mittel durch die Na+/K+- ATPase (NKA) konstant gehalten. Natrium ist darüber hinaus ein hochbewegliches, ungepuffertes Ion. Neuste Arbeiten haben gezeigt, dass Diffusion einen Mechanismus zur Rückführung lokaler Natriumerhöhungen auf ein Grundniveau darstellen kann. Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zum Verständnis des Natriumtransports aus Somata und Dendriten hippocampaler CA1-Pyramidenzellen der Maus. Durch lokale Druckapplikation von Glutamat wurden intrazelluläre Erhöhungen der Natriumkonzentration während physiologischer neuronaler Aktivität nachgebildet und per Weitfeldimaging aufgezeichnet. Es konnte gezeigt werden, dass transiente Natriumerhöhungen im Soma mit einer Rate von 8 mM min-1 auf das Ursprungsniveau zurückgeführt wurden. Durch Perfusion mit Ouabain als spezifischem NKA-Inhibitor ließ sich dieser Vorgang vollständig blocken, während Inhibition der Glykolyse mit Natriumfluorid (NaF) zu einer Verminderung des Transports führte. Dies zeigt, von welch bedeutender Wichtigkeit die NKA zur Aufrechterhaltung einer stabilen Natriumkonzentration ist. Im Vergleich zum Soma erreichte die Natriumextrusionsrate in Dendriten mehr als den zehnfachen Wert und blieb auch bei Gabe von Ouabain oder NaF unverändert. Globale Glutamatapplikation zur Natriumerhöhung in der gesamten Zelle führte zu einer Elimination der Konzentrationsgradienten als treibender Kraft diffusiver Prozesse. Dabei konnten vergleichbare Extrusionsraten in Dendriten und Soma festgestellt werden, die wiederum durch NaF verringert wurden. Die Aufrechterhaltung einer stabilen Natriumkonzentration in Dendriten und der Ausgleich lokaler Natriumtransienten wird hauptsächlich durch Diffusion gewährleistet. Eine physiologische Funktion der Zelle wird somit auch bei temporärer Energiedeprivation ermöglicht. Ist das Natriumniveau allerdings in weiten Teilen der Zelle erhöht, stellt die NKA vielmehr das maßgebliche System zur Regelung des Natriumhaushaltes dar. Natrium wird zwar in letzter Konsequenz stets durch die NKA aus der Zelle transportiert, der rasche Ausgleich lokaler Natriumerhöhungen durch Diffusion in benachbarte Zellareale sorgt jedoch für eine örtliche Verteilung des Energiebedarfs. Sodium homeostasis is of fundamental importance for the nervous system. Although increases in its intracellular concentration can occur during excitatory activity, baseline levels are kept stable through the action of the Na+/K+-ATPase (NKA). Nevertheless, sodium is a very mobile, not buffered ion and a few recent studies have suggested that diffusion can be an additional mechanism for the removal of sodium after local transients. The present work was designed to elucidate the mechanisms for sodium removal in the soma and dendrite of pyramidal neurons from the CA1 region of the mouse hippocampus. Sodium loads where elicited by pressure application of glutamate in order to simulate physiological neuronal activity and variations in the intracellular sodium concentration were measured by wide-field imaging. In the soma, we showed that sodium transients recovered with a maximum velocity of 8 mM min-1, which was reduced to zero after perfusion with ouabain, a specific inhibitor of NKA. It was also reduced by sodium fluoride (NaF), an inhibitor of glycolysis, revealing the NKA importance for sodium homeostasis. In the dendrites, however, sodium extrusion reached rates more than 10-fold higher when compared to the soma, and was unaffected by ouabain or NaF. Nevertheless, when glutamate was applied globally, inducing a sodium load in the whole cell, dendritic sodium extrusion rates were reduced to values similar to the ones of the soma and decreased by NaF. This study shows evidences that in the dendrites, the recovery from local sodium increases is dominated by diffusion and the cell is capable of operating efficiently even in times of energy deficits and hence impaired NKA function. However, at a cellular scale, for example when sodium increases globally throughout the cell, concentration gradients as diffusional driving force are missing and the NKA becomes the main mediator of sodium extrusion in dendrites as well. From this point of view, the main relevance of this study is that although sodium will eventually be pumped out by the NKA, the fast diffusion of sodium to neighbour areas might reduce local energy requirements.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.03.2016
Dateien geändert am:	08.03.2016
Promotionsantrag am:	12.10.2015
Datum der Promotion:	02.12.2015