Migräne-relevante Plastizität an zentralen Synapsen von TRPV1 trigeminalen Nozizeptoren

• Antragsteller: Dr. Bruno Pradier
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327243506

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der trigeminale nucleus caudalis (TNc) erhält starke Innervation peripherer Afferenzen des trigeminalen Ganglions, und ist der erste zentrale Relais in Signalwegen, die orofazialen Schmerzen zu Grunde liegen. Trotz erster Untersuchungen dieser Gehirnregion bleiben viele Fragen bezüglich synaptischer Plastizität an Nozizeptoren sowie elektrophysiologische Eigenschaften von Neuronen im TNc weitestgehend ungeklärt. Unter Zuhilfenahme der Optogenetik, untersuchten wir zunächst Plastizität an zentralen Endigungen primärer nozizeptiver Afferenzen auf TNc neurone (Pradier et al. 2018). Optische Stimulation von Kanal-Rhodopsin-exprimierender (ChR2) Axone in TRPV1/ChR2 Mäusen ermöglichte uns eine mit Nozizeptoren angereicherte Subpopulation primärer Afferenzen zu aktivieren. Wir führten intrazelluläre Einzelzellableitungen an Lamina I/II Neuronen im akuten TNc Schnittpräparat durch und stimulierten TRPV1/ChR2 Afferenzen mit Licht. Niedrig-frequente optische Stimulation (LFS) induzierte eine robuste Langzeitdepression (LTD) optisch-evozierter EPSCs. Blockade von NMDA Rezeptoren oder Stickstoffmonoxid (NO)-Synthasen konnte die LTD deutlich abschwächen, wohingegen ein Cannabinoid Rezeptor 1 Antagoinist keinen Effekt hatte. Das Neuropeptid PACAP-38 oder die NO-Donoren, Nitroglycerin (NTG) und Natrium-Nitroprussid (SNP) sind pharmakologische Auslöser von Kopfschmerzen/Migräne in Menschen. Badapplikation dieser Substanzen auf TNc Gewebsschnitte führte ebenfalls zur LTD licht-evozierter EPSCs. Für diese Arbeit wurden wir von die „American Headache Society“ mit einem Preis ausgezeichnet und diese Studie war das Paper der Woche auf „painresearchforum.org“, einer Online-Plattform von weltweit führenden Experten für Schmerzforschung. Als nächstes untersuchten wir die elektrophysiologischen Eigenschaften von 535 TNc Neuronen der Laminae I/II (Pradier et al., 2019). Basierend auf dem Frequenzmuster der Aktionspotentiale (AP) dieser Zellen, konnten wir 5 Hauptgruppen mit distinkten intrinsischen Eigenschaften unterscheiden, welche sich in 1) Tonische, 2) Phasische, 3) Verzögerte, 4) Hyperpolarisations (H) -Strom tragende und 5) Tonisch-Phasische Neurone gliedern. Zum ersten Mal in TNc Neuronen wendeten wir eine unbeobachtete Clustering Methode an und stellten fest, dass sich die Kinetik der APs und weitere intrinsische Eigenschaften in diesen Gruppen signifikant voneinander unterscheiden. Eine unbeaufsichtigte spektrale Clusterbildung, die nur auf einer einzelnen Spannungsantwort auf den Rheobasenstrom beruhte, reichte aus, um Zellen mit gemeinsamen Eigenschaften unabhängig vom Aktionspotential-Entladungsmuster zu gruppieren, was darauf hinweist, dass dieser unbefangene Ansatz effektiv angewendet werden kann, um funktionelle neuronale Unterklassen zu identifizieren. Zusammengenommen zeigen unsere Daten, dass LTD von nozizeptiven afferenten Synapsen auf Trigeminuskernneuronen ausgelöst wird, wenn die Afferenzen bei Frequenzen aktiviert werden, die mit der Entwicklung einer zentralen Sensibilisierung des trigeminovaskulären Signalweges übereinstimmen. Ferner veranschaulichen unsere Daten, dass Zellen in dem TNc mit unterschiedlichen Mustern der afferenten TRPV1/ChR2-Innervation physiologisch verschieden sind, aber als einige Hauptgruppen von Zellen mit gemeinsamen funktionellen Eigenschaften verstanden werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Nociceptive inputs to trigeminal nucleus caudalis neurons; implications for migraine”; SFN, Washington D.C. (2017)
  B. Pradier, H.B. Shin, D. Lipscombe, J.A. Kauer
  
• “Long-Term Depression Induced by Optogenetically Driven Nociceptive Inputs to Trigeminal Nucleus Caudalis or Headache Triggers”; The Journal of Neuroscience (2018)
  Pradier B, Shin HB, Kim DS, St Laurent R, Lipscombe D, Kauer JA
  
• “Long-term depression induced by optogenetically driven nociceptive inputs to trigeminal nucleus or headache triggers”; IASP Meeting, Boston (2018)
  B. Pradier, H.B. Shin, D. Lipscombe, J.A. Kauer
  
• „Persistent but labile synaptic plasticity at excitatory synapses”. Journal of Neuroscience (2018)
  B. Pradier, K. Lanning, K.T. Taljan, C.J. Feuille, M.A. Nagy, J.A. Kauer
  
• “Properties of neurons in the superficial laminae of trigeminal nucleus caudalis”; Physiological Reports (2019)
  Bruno Pradier, Samuel J McCormick, Ayumi C Tsuda, Rudy W Chen, Abigail L Atkinson, Mollie R Westrick, Caroline L Buckholtz, Julie A Kauer
  
• “Synaptic plasticity and electrophysiological properties of TNc neurons”; Deutscher Schmerzkongress, Mannheim (2019)
  B. Pradier, S.J. McCormick, A.C. Tsuda, J.A. Kauer
  
• „Advances in assessment of pain behaviors and mechanisms of post-operative pain models”. Current Opinion in Physiology (2019)
  Daniel Segelcke, Bruno Pradier, Esther Pogatzki-Zahn
  
• „NMDA receptor activation induces long-term potentiation of glycine synapses”. PLOS ONE (2019)
  L Kloc, B Pradier, AM Chirila, JA Kauer