Cellular actions of putative sleep hormones and depressant drugs in the mammalian brain

Abstract

The principal aim of my thesis was to investigate the regulation of native cortical circuits by the sleep-inducing brain lipid cis-oleamide (cOA). To achieve this, I have utilised contemporary electrophysiological and pharmacological techniques, combined with brain slices of the hippocampus and neocortex. I have shown that cOA does not modulate serotonergic hippocampal responses through the 5-HT1A (WAY-100135-sensitive) and 5-HT2A/C (ketanserin-sensitive) receptors as proposed by others in previous studies using recombinant receptors and expression lines. cOA, in contrast to the cannabinoids, anandamide and WIN-55212-2, did not block tetanus-induced LTP in the hippocampus. However, cOA, but not anandamide, blocked θ-burst-induced LTP in a manner dependent on functional GABAA receptor transmission, but independent of cannabinoid receptor (CB1) activation. Moreover, cOA suppressed hippocampal interictal activity (CNQX-, WIN-55212-2- and carbenoxolone-sensitive) in the 4-aminopyridine (4-AP) model of epileptogenesis by a CB1 receptor-independent mechanism, but neocortical ictal discharges (sensitive to carbamazepine, pentobarbital, carbenoxolone and D-AP5) were invariably resistant to cOA (also to cannabinoids), probably due to the high degree of endogenous release of these ligands during “seizure-like” ictal conditions. Pharmacological confirmation of such a proposal was obtained for cannabinoids, but not for oleamide, due to lack of specific antagonists. Clearly cOA is not cannabinomimetic, but its exact cellular target is still unknown; the unfavourable physicochemical properties of the lipid combined with the lack of pharmacological antagonists complicates this issue. Finally, overwhelmed by the importance of NMDA receptors in cognition and the availability of subunit specific antagonists in my lab (PPDA and CP-101, 606), I investigated the topical hypothesis of NMDA receptor subunit-dependent regulation of hippocampal synaptic plasticity. I have shown that NR2C/D and NR2A/B subunit containing NMDA receptors are preferentially involved in opposing forms of plasticity (LTD and LTP respectively). To conclude, the work presented herein has significantly contributed to the understanding of the heterogeneity and diversity of actions of (a) putative (cOA) and established (anandamide) endocannabinoids and (b) NMDA receptor isoforms and subunit-dependent physiological roles.

Ο κύριος στόχος της διατριβής μου ήταν να διερευνήσει τη ρύθμιση των εγγενών κυκλωμάτων του φλοιού από το εγκεφαλικό λιπίδιο cis-oleamide (cOA) που προκαλεί ύπνο. Για να το πετύχω αυτό, έχω χρησιμοποιήσει σύγχρονες ηλεκτροφυσιολογικές και φαρμακολογικές τεχνικές, σε συνδυασμό με εγκεφαλικές φέτες του ιππόκαμπου και του νεοφλοιού.Έχω δείξει ότι το cOA δεν ρυθμίζει τις σεροτονινεργικές αποκρίσεις του ιππόκαμπου μέσω των υποδοχέων 5-HT1A (ευαίσθητοι σε WAY-100135) και 5-HT2A/C (ευαίσθητοι στην κετανσερίνη), όπως προτείνονται από άλλους σε προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιώντας ανασυνδυασμένους υποδοχείς και γραμμές έκφρασης. Το cOA, σε αντίθεση με τα κανναβινοειδή, το ανανδαμίδιο και το WIN-55212-2, δεν εμπόδισε την επαγόμενη από τον τέτανο LTP στον ιππόκαμπο. Ωστόσο, το cOA, αλλά όχι η ανανδαμίδη, εμπόδισε την επαγόμενη από θ-έκρηξη LTP με τρόπο που εξαρτάται από τη λειτουργική μετάδοση του υποδοχέα GABAA, αλλά ανεξάρτητα από την ενεργοποίηση του υποδοχέα κανναβινοειδών (CB1). Επιπλέον, το cOA κατέστειλε την μεσόστελη δραστηριότητα του ιππόκαμπου (CNQX-, WIN-55212-2- και ευαίσθητη στην καρβενοξολόνη) στο μοντέλο της επιληπτογένεσης 4-αμινοπυριδίνης (4-AP) μέσω ενός μηχανισμού ανεξάρτητου από τον υποδοχέα CB1, αλλά οι νεοφλοιώδεις εκκενώσεις του νεφρού ( η καρβαμαζεπίνη, η πεντοβαρβιτάλη, η καρβενοξολόνη και η D-AP5) ήταν σταθερά ανθεκτικές στο cOA (επίσης στα κανναβινοειδή), πιθανώς λόγω του υψηλού βαθμού ενδογενούς απελευθέρωσης αυτών των προσδεμάτων κατά τη διάρκεια συνθηκών που μοιάζουν με επιληπτικές κρίσεις. Η φαρμακολογική επιβεβαίωση μιας τέτοιας πρότασης λήφθηκε για τα κανναβινοειδή, αλλά όχι για την ολεαμίδη, λόγω έλλειψης συγκεκριμένων ανταγωνιστών. Είναι σαφές ότι το cOA δεν είναι κανναβινομιμητικό, αλλά ο ακριβής κυτταρικός στόχος του είναι ακόμα άγνωστος. Οι δυσμενείς φυσικοχημικές ιδιότητες του λιπιδίου σε συνδυασμό με την έλλειψη φαρμακολογικών ανταγωνιστών περιπλέκει αυτό το ζήτημα.Τέλος, συγκλονισμένος από τη σημασία των υποδοχέων NMDA στη γνωστική λειτουργία και τη διαθεσιμότητα ειδικών ανταγωνιστών υπομονάδας στο εργαστήριό μου (PPDA και CP-101, 606), ερεύνησα την τοπική υπόθεση της εξαρτώμενης από την υπομονάδα του υποδοχέα NMDA ρύθμισης της συναπτικής πλαστικότητας του ιππόκαμπου. Έχω δείξει ότι οι υπομονάδες NR2C/D και NR2A/B που περιέχουν υποδοχείς NMDA εμπλέκονται κατά προτίμηση σε αντίθετες μορφές πλαστικότητας (LTD και LTP αντίστοιχα). Συμπερασματικά, η εργασία που παρουσιάζεται εδώ έχει συμβάλει σημαντικά στην κατανόηση της ετερογένειας και της ποικιλομορφίας των δράσεων (α) υποτιθέμενων (cOA) και εγκατεστημένων (ανανταμίδη) ενδοκανναβινοειδών και (β) ισομορφών υποδοχέα NMDA και φυσιολογικών ρόλων που εξαρτώνται από υπομονάδες.