Identifikation eines dualen mesokortikolimbischen Dopaminsystems mit selektiven axonalen Projektionen in der adulten Maus (Mus musculus L.)
Identifikation eines dualen mesokortikolimbischen Dopaminsystems mit selektiven axonalen Projektionen in der adulten Maus (Mus musculus L.)
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Original abstract
Dopaminerge (DA) Neurone sind im Mittelhirn hauptsächlich in zwei Nuklei lokalisiert: in der Substantia nigra (SN, A9) und Area tegmentalis ventralis (VTA, A10). Währene DA SN Neurone das dorsale Striatum innervieren, projizieren die DA VTA Neurone in kortikolimbische Hirnareale (u.a. präfrontaler Kortex (PFC), basolaterale Amygdala (BLA), Nukleus Accumbens (NAc) core/shell). Die eingehend charakterisierten klassischen mesostriatalen DA Neurone sind essentiell für die Ausführung von Willkürbewegungen und für die Vermittlung prädiktiver Belohnungssignale. Dagegen sind die elektrophysiologischen Eigenschaften der DA Neurone, die durch eine vornehmlich tonische Dopaminfreisetzung in kortikolimbischen Hirnarealen beispielsweise die Salienz appetitiver und aversiver Stimuli, sowie kognitive (working memory) und emotionale Funktionen vermitteln, weitgehend unbekannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher selektives retrogrades Tracing in Kombination mit elektrophysiologischen und immunhistochemischen Methoden durchgeführt, um die anatomischen, morphologischen und funktionellen Eigenschaften mesokortikolimbischer DA Neurone im Vergleich zu den klassischen mesostriatalen DA Neuronen in adulten C57Bl/6 Mäusen zu analysieren. In der vorliegenden Arbeit wurde herausgefunden, dass das mesokortikolimbische DA System anatomisch, molekular und funktionell von zwei unterschiedlichen Phänotypen DA Neurone gebildet wird. Dabei konnte neben dem klassischen Typ, erstmals die Existenz eines weiteren DA Phänotyps mit unkonventionellen elektrophysiologischen Eigenschaften beschrieben werden. Es konnte gezeigt werden, dass DA Neurone, die den PFC, die BLA und die core Subregion des NAc innervieren vor allem in der medialen VTA des intermediären Mittelhirn lokalisiert waren. Dagegen waren die DA Nervenzellen, die in den lateralen shell des NAc sowie in das dorsolaterale Striatum projizieren und präferentiell in der lateralen VTA in der SN und in der Area retrorubralis (A8) lokalisiert. Die topographische Dualität des mesokortikolimbischen DA Systems konnte auch in einer differentiellen Proteinexpression wiedergefunden werden. Mesokortikale, mesoamygdaläre und mesolimbische core DA Neurone waren im Vergleich zu mesolimbischen shell und mesostriatalen DA Neuronen durch eine geringe Expression des Dopamintransporters (DAT) gekennzeichnet. Ferner konnte gezeigt werden, dass das Markerprotein Calbindin nur bedingt für die Differenzierung des DA Mittelhirnsystems geeignet ist. Die maximale Feuerungsrate der mesostriatalen und mesolimbischen shell DA Neurone lag stets unterhalb von 10 Hz und war ebenso wie weitere elektophysiologische Parameter (Aktionspotentialdauer, Nachhyperpolarisation) konsistent mit den in der Literatur beschriebenen klassischen DA SN Neuronen in vivo und in vitro. Im unterschwelligen Bereich eines Aktionspotentials war eine schnelle Inaktivierung eines spannungabhängigen Kaliumauswärtsstroms (A-Strom) charakteristisch. Bei Injektion hyperpolarisierender Ströme wiesen diese Zellen eine für DA Neurone typische zeitabhängige Verringerung des korrespondierenden Membranpotentials auf (sag Amplitude, vermittelt über HCN Kanälen). Die Applikation von 100 µM Dopamin führte zu einer über somatodendritische D2 Autorezeptoren vermittelten kompletten und persistierenden Inhibition der Spontanaktivität. Im Gegensatz hierzu waren mesokortikale, mesoamygdaläre und mesolimbische core DA Neurone durch unkonventionelle elektrophysiologische Eigenschaften gekennzeichnet. Diese Zellen konnten ungewöhnlich hohe maximale Feuerungsraten von etwa 20-30 Hz erreichen. Die Aktionspotentialdauer war signifikant länger und die Amplitude der Nachhyperpolarisation signifkant niedriger. Weiterhin gab es keine Hinweise auf das Vorhandensein von HCN Kanälen und die Inaktivierung des A-Typ Kanals war signifikant langsamer. Die Applikation von Dopamin führte entweder zu keiner (mesokortikale DA Neurone) oder nur zu einer transienten (mesoamygdaläre, mesolimbische core DA Neurone) Inhibition der Spontanaktivität. Ferner konnte gezeigt werden, dass GIRK2 Kanäle, die durch somatodendritische D2 Autorezeptoren aktiviert werden, signifikant niedriger in den unkonventionellen DA Neuronen exprimiert sind. Der funktionelle Dualismus des mesokortikolimbischen DA System konnte anhand einer hierarchischen Clusteranalyse statistisch bestätigt werden. Die unkonventionellen elektrophysiologischen Eigenschaften machen die mesokortikalen, mesoamygdalären und mesolimbischen core DA Neuronen zu geeigneten Kandidaten für die Vermittlung tonischer Dopaminfreisetzung in vivo und haben somit eine wichtige Funktion bei der Vermittlung kognitiver, motivationaler und emotionaler Fähigkeiten. Der in der vorliegenden Arbeit vorgestellte anatomische, morphologische, funktionelle und molekulare Dualismus des mesokortikolimbischen DA Systems liefert die zelluläre Basis für die selektive Modulation DA Subpopulationen und ist somit von besonderer Bedeutung für die Entwicklung neuer spezifischer, nebenwirkungsarmer Arzneimittel in der Therapie neurologischer Erkrankungen wie beispielsweise Schizophrenie, Morbus Parkinson und ADHS. The mesocorticolimbic dopamine system is essential for cognitive and emotive brain functions and thus an important target in major brain diseases like schizophrenia, drug addiction and attention-deficit-hyperactivity-disorder. However, the cellular basis for the diversity in behavioral functions and associated dopamine-release pattern within the mesocorticolimbic system has remained unclear. Here I report the identification of a novel type of dopaminergic neuron within the mesocorticolimbic dopamine system with unconventional fast-firing properties and low dopamine transporter (DAT) expression that selectively projects to prefrontal cortex, nucleus accumbens core and to basolateral amygdala. In contrast, well-described conventional slow-firing dopamine midbrain neurons only project to the lateral shell of the nucleus accumbens and the dorsolateral striatum. Among this dual dopamine midbrain system defined in this study by converging anatomical, electrophysiological and molecular properties, mesoprefrontal dopaminergic neurons are unique as only they do not possess functional somatodendritic GIRK2 (G-protein coupled inward rectifying potassium channel 2)-coupled dopamine D2 autoreceptors.