МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВКЛАДА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ИОНОТРОПНЫХ РЕЦЕПТОРОВ В ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЙ ОТВЕТ В ХОДЕ ЭПИЛЕПТОПОДОБНЫХ РАЗРЯДОВ IN VITRO
PDF

Ключевые слова

энторинальная кора
синаптическая проводимость
цефалоспорины
цефепим
эпилептоподобная активность in vitro

Как цитировать

Амахин, Д. В., Соболева, Е. Б., & Зайцев, А. В. (2019). МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВКЛАДА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ИОНОТРОПНЫХ РЕЦЕПТОРОВ В ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЙ ОТВЕТ В ХОДЕ ЭПИЛЕПТОПОДОБНЫХ РАЗРЯДОВ IN VITRO. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 105(7), 812–831. https://doi.org/10.1134/S0869813919070021

Аннотация

Эпилептоподобная активность в переживающем срезе головного мозга — результат сложной интеграции возбуждающих и тормозных синаптических сигналов. Временной паттерн активации различных синаптических проводимостей в ходе интериктальных разрядов позволяет описать закономерности работы нейронной сети при эпилептоподобных состояниях и проанализировать влияние различных фармакологических агентов на нее. Существующие методы оценки синаптических проводимостей, как правило, исходят из предположения линейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) ответов нейрона и позволяют оценить вклад в постсинаптический ответ двух типов проводимостей — возбуждающей и тормозной без выделения вклада специфических типов синаптических рецепторов. В данной работе описаны теоретические основы методики оценки постсинаптических проводимостей сразу трех типов ионотропных рецепторов (AMPA-, NMDA- и ГАМКа-типа), активирующихся в ходе интериктальных разрядов в энторинальной коре. Предлагаемый алгоритм использует различия формы ВАХ этих рецепторов для оценки их вкладов в постсинаптический ответ нейрона и предполагает применение метода патч-кламп в конфигурации “целая клетка” в режиме фиксации потенциала. Применение методики продемонстрировано на примере нескольких моделей эпилептоподобной активности. Было проведено сравнение временного течения синаптических проводимостей в ходе интериктальных разрядов, генерируемых при полном сохранении ГАМКа-рецептор-опосредованной проводимости и при ее частичной блокаде с помощью антибиотика цефепима или бикукуллина. Показано, что несмотря на то, что цефепим является антагонистом ГАМКа-рецепторов, их суммарная проводимость на поздних этапах интериктального разряда значительно повышается по сравнению с моделью, в которой данный тип рецепторов не блокировался, или в которой использовался другой конкурентный антагонист — бикукуллин. Таким образом, предлагаемая методика позволяет выявлять тонкие различия временного течения трех типов синаптических проводимостей и позволяет продемонстрировать различия проэпилептических эффектов блокаторов ГАМКа-рецепторов.

https://doi.org/10.1134/S0869813919070021
PDF

Литература

Amakhin D.V., Ergina J.L., Chizhov A.V., Zaitsev A.V. Synaptic Conductances during Interictal Discharges in Pyramidal Neurons of Rat Entorhinal Cortex. Front. Cell. Neurosci. 10: 233. 2016. doi: 10.3389/fncel.2016.00233

Avoli M., D’Antuono M., Louvel J., Köhling R., Biagini G., Pumain R., D’Arcangelo G., Tancredi V. Network and pharmacological mechanisms leading to epileptiform synchronization in the limbic system in vitro. Prog. Neurobiol. 68: 167–201. 2002.

Gonzalez-Sulser A., Wang J., Queenan B.N., Avoli M., Vicini S., Dzakpasu R. Hippocampal neuron firing and local field potentials in the in vitro 4-aminopyridine epilepsy model. J. Neurophysiol. 108: 2568–2580. 2012.

Shiri Z., Lévesque M., Etter G., Manseau F., Williams S., Avoli M. Optogenetic Low-Frequency Stimulation of Specific Neuronal Populations Abates Ictogenesis. J. Neurosci. 37: 2999–3008. 2017.

Lopantsev V., Avoli M. Participation of GABAA-Mediated Inhibition in Ictallike Discharges in the Rat Entorhinal Cortex. J. Neurophysiol. 79: 352–360. 1998.

Shiri Z., Manseau F., Lévesque M., Williams S., Avoli M. Activation of specific neuronal networks leads to different seizure onset types. Ann. Neurol. 79: 354–365. 2016.

Trevelyan A.J., Schevon C.A. How inhibition influences seizure propagation. Neuropharmacology. 69: 45–54. 2013.

Amakhin D.V., Soboleva E.B., Ergina J.L., Malkin S.L., Chizhov A.V., Zaitsev A.V. Seizure-Induced Potentiation of AMPA Receptor-Mediated Synaptic Transmission in the Entorhinal Cortex. Front. Cell. Neurosci. 12: 486. 2018. doi: 10.3389/fncel.2017.00264

Trevelyan A.J., Sussillo D., Yuste R. Feedforward Inhibition Contributes to the Control of Epileptiform Propagation Speed. J. Neurosci. 27: 3383–3387. 2007.

Ziburkus J., Cressman J.R., Schiff S.J. Seizures as imbalanced up states: excitatory and inhibitory conductances during seizure-like events. J. Neurophysiol. 109: 1296–1306. 2013.

Ziburkus J., Cressman J.R., Barreto E., Schiff S.J. Interneuron and pyramidal cell interplay during in vitro seizure-like events. J. Neurophysiol. 95: 3948–3954. 2006.

Borg-Graham L., Monier C., Frkgnac Y. Voltage-clamp measurement of visually-evoked conductances with whole-cell patch recordings in primary visual cortex. J. Physiol. 90: 185–188. 1996.

Monier C., Fournier J., Frégnac Y. In vitro and in vivo measures of evoked excitatory and inhibitory conductance dynamics in sensory cortices. J. Neurosci. Methods. 169: 323–365. 2008.

Lankarany M., Heiss J.E., Lampl I., Toyoizumi T. Simultaneous Bayesian Estimation of Excitatory and Inhibitory Synaptic Conductances by Exploiting Multiple Recorded Trials. Front. Comput. Neurosci. 10: 110. 2016. doi: 10.3389/fncom.2016.00110

Chizhov A.V., Amakhin D.V. Method of experimental synaptic conductance estimation: Limitations of the basic approach and extension to voltage-dependent conductances. Neurocomputing. 275: 2414–2425. 2018.

Li S., Liu N., Yao L., Zhang X., Zhou D., Cai D. Determination of effective synaptic conductances using somatic voltage clamp. PLoS Comput. Biol. 15(3): e1006871. 2019. doi: 10.1371/journal.pcbi.1006871

Neher E. Correction for Liquid Junction Potentials in Patch Clamp Experiments. Methods Enzymol. 207: 123–131. 1992.

Chizhov A.V., Amakhin D.V., Zaitsev A.V. Computational model of interictal discharges triggered by interneurons. PLoS One. 12(10): e0185752. 2017. doi: 10.1371/journal. pone.0185752

Chizhov A.V, Amakhin D.V, Zaitsev A.V. Mathematical model of Na-K-Cl homeostasis in ictal and interictal discharges. PLoS One. 14(3): e0213904. 2019. doi: 10.1371/journal.pone.0213904

Chizhov A.V., Amakhin D.V., Zaitsev A.V. Spatial propagation of interictal discharges along the cortex. Biochem. Biophys. Res. Commun. 508: 1245–1251. 2019.

Sugimoto M., Uchida I., Mashimo T., Yamazaki S., Hatano K., Ikeda F., et al. Evidence for the involvement of GABA(A) receptor blockade in convulsions induced by cephalosporins. Neuropharmacology. 45: 304–14. 2003.

Fujimoto M., Munakata M., Akaike N. Dual mechanisms of GABAA response inhibition by beta-lactam antibiotics in the pyramidal neurones of the rat cerebral cortex. Br. J. Pharmacol. 116: 3014–3020. 1995.

Sugimoto M., Fukami S., Kayakiri H., Yamazaki S., Matsuoka N., Uchida I., Mashimo T. The beta-lactam antibiotics, penicillin-G and cefoselis have different mechanisms and sites of action at GABA(A) receptors. Br. J. Pharmacol. 135: 427–432. 2002.

Amakhin D.V., Soboleva E.B., Zaitsev A.V. Cephalosporin antibiotics are weak blockers of GABAa receptor-mediated synaptic transmission in rat brain slices. Biochem. Biophys. Res. Commun. 499: 868–874. 2018.

Chizhov A.V., Amakhin D.V., Zaitsev A.V., Magazanik L.G. AMPAR-mediated Interictal Discharges in Neurons of Entorhinal Cortex: Experiment and Model. Dokl. Biol. Sci. 479: 1–4. 2018.

Payne L.E., Gagnon D.J., Riker R.R., Seder D.B., Glisic E.K., Morris J.G., Fraser G.L. Cefepime-induced neurotoxicity: a systematic review. Crit. Care. BioMed Central. 21: 276. 2017.

Appa A.A., Jain R., Rakita R.M., Hakimian S., Pottinger P.S. Characterizing Cefepime Neurotoxicity: A Systematic Review. Open forum Infect. Dis. Oxford University Press. 4. 2017.

Атабеков Г.И., Купалян С.Д., Тимофеев А.Б., Хухриков С.С. Теоретические основы электротехники. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное поле. СПб. Лань. 2010. [Atabekov G.I., Kupalyan S.D., Timofeev A.B., Huhrikov S.S. Teoreticheskiye osnovy elektrotehniki. Nelineyniye elekticheskiye tsepi. Elektromagnitnoye pole [Theoretical foundations of electrical engineering. Nonlinear electrical circuits. Electromagnetic field]. St. Petersburg. Lan’. 2010].

Jahr C.E., Stevens C.F. Voltage dependence of NMDA-activated macroscopic conductances predicted by single-channel kinetics. J. Neurosci. 10: 3178–3182. 1990.

Goldman D.E. Potential, Impedance, and Rectification in Membranes. J. Gen. Physiol. 27: 37–60. 1943.

Hodgkin A.L., Katz B. The effect of sodium ions on the electrical activity of giant axon of the squid. J. Physiol. 108: 37–77. 1949.

Barker J.L., Harrison N.L. Outward rectification of inhibitory postsynaptic currents in cultured rat hippocampal neurones. J. Physiol. 403: 41–55. 1988.

Jedlicka P., Deller T., Gutkin B.S., Backus K.H. Activity-dependent intracellular chloride accumulation and diffusion controls GABA(A) receptor-mediated synaptic transmission. Hippocampus. 21: 885–898. 2011.

Staley K.J., Proctor W.R. Modulation of mammalian dendritic GABAa receptor function by the kinetics of Cl- and HCO3- transport. J. Physiol. 519: 693–712. 1999.

Sakmann B., Neher E. Single-Channel Recording. Boston, MA. Springer. 1995.

de Curtis M., Librizzi L., Uva L., Gnatkovsky V. GABAa receptor-mediated networks during focal seizure onset and progression in vitro. Neurobiol. Dis. 125: 190–197. 2019.

Librizzi L., Losi G., Marcon I., Sessolo M., Scalmani P., Carmignoto G., de Curtis M. Interneuronal Network Activity at the Onset of Seizure-Like Events in Entorhinal Cortex Slices. J. Neurosci. 37: 10398–10407. 2017.

Shiri Z., Manseau F., Levesque M., Williams S., Avoli M. Interneuron Activity Leads to Initiation of Low-Voltage Fast-Onset Seizures. Ann. Neurol. 77: 541–546. 2015.

Chizhov A.V., Malinina E., Druzin M., Graham L.J., Johansson S. Firing clamp: a novel method for single-trial estimation of excitatory and inhibitory synaptic neuronal conductances. Front. Cell. Neurosci. 8: 86. 2014. doi: 10.3389/fncel.2014.00086

Bai D., Muller R.U., Roder J.C. Non-ionotropic cross-talk between AMPA and NMDA receptors in rodent hippocampal neurones. J. Physiol. 543: 23–33. 2002.

Mathias R.T., Cohen I.S., Oliva C. Limitations of the whole cell patch clamp technique in the control of intracellular concentrations. Biophys. J. 58: 759–770. 1990.

Oliva C., Cohen I.S., Mathias R.T. Calculation of time constants for intracellular diffusion in whole cell patch clamp configuration. Biophys. J. 54: 791–799. 1988.

Push M., Neher E. Rates of diffusional exchange between small cells and a measuring patch pipette. Pflugers Arch. 411: 204–211. 1988.

Karlsson U., Druzin M., Johansson S. Cl(-) concentration changes and desensitization of GABA(A) and glycine receptors. J. Gen. Physiol. 138: 609–626. 2011.

Yelhekar T.D., Druzin M., Karlsson U., Blomqvist E., Johansson S. How to Properly Measure a Current-Voltage Relation? — Interpolation vs. Ramp Methods Applied to Studies of GABAA Receptors. Front. Cell. Neurosci. 10: 10. 2016. doi: 10.3389/fncel.2016.00010

Семенов В.А., Амахин Д.В., Веселкин Н.П. Вклад нестационарности внутриклеточной концентрации ионов калия в кинетику потенциал-зависимых калиевых токов. Биологические мембраны. 36(3): 207–217. 2019. [Semenov V.A., Amakhin D.V., Veselkin N.P. The Contribution of Changes of Intracelluar Potassium Ion Concentration to the Kinetics of Voltage-Dependent Potassium Current. Biologicheskie membrany. 36(3): 207–217. 2019. (In Russ.)]

Clay J.R. Comparison of the effects of internal TEA+ and Cs+ on potassium current in squid giant axons. Biophys. J. 48: 885–892. 1985.

Avoli M., Barbarosie M., Lücke A., Nagao T., Lopantsev V., Köhling R. Synchronous GABA-mediated potentials and epileptiform discharges in the rat limbic system in vitro. J. Neurosci. 16: 3912–3924. 1996.

Avoli M., Louvel J., Kurcewicz I., Pumain R., Barbarosie M. Extracellular free potassium and calcium during synchronous activity induced by 4-aminopyridine in the juvenile rat hippocampus. J. Physiol. 493: 707–717. 1996.