Synaptische Innervation als Richtungsgeber für migrierende Vorläufer zentralnervöser Interneurone

Abstract

Interneuron-Vorläuferzellen migrieren während der Entwicklung weite Strecken von den Orten, an denen sie generiert werden, zu ihren Bestimmungsorten, an denen sie sich differenzieren und synaptisch in neuronale Netzwerke eingebunden werden. Die Mechanismen, die ihre Migration, ihre nachfolgende Verteilung im Zielgebiet sowie ihre Zuordnung zu den zugehörigen, früher generierten Projektionsneuronen zwecks Netzwerkintegration präzise steuern, sind bisher noch unzureichend erforscht. Jedoch ist bekannt, dass Neurotransmitter bei diesen Prozessen eine wichtige Rolle spielen.Als Modell zur Untersuchung migrierender Interneuron-Vorläuferzellen verwendeten wir 7–9 Tage alte Pax2-GFP-Mäuse. In diesen exprimieren postmitotische, Pax2-positive Vorläuferzellen inhibitorischer Interneurone („Pax2-Zellen“) das grün fluoreszierende Protein GFP vom Pax2-Locus. Sie wandern aus der weißen Substanz in den cerebellären Cortex und differenzieren sich um P7–9 überwiegend in die Korb-/Sternzellen der Molekularschicht.<br /> Wir fragten uns:<br /> 1. Kann die Migration dieser Zellen in akuten cerebellären Schnitten dargestellt werden?<br /> 2. Welche grundlegenden elektrophysiologischen Eigenschaften weisen die Zellen auf? Sind sie möglicherweise bereits synaptisch innerviert?<br /> 3. Sollten sie bereits synaptisch innerviert sein, beeinflusst die direkte synaptische Innervation ihre Migration?Die corticale Migration von Pax2-Zellen konnten wir mittels konfokaler xyt- und xyzt-Zwei-Photonen-Zeitraffer-Videomikroskopie in akuten Vermisschnitten gut verfolgen. Patch-clamp-Messungen zeigten, dass Pax2-Zellen als unreife neuronale Vorläuferzellen einen hohen Eingangswiderstand von meist mehr als 1 GΩ sowie eine geringe Membrankapazität von 9,4 ± 0,4 pF (Mittelwert ± Standardfehler) aufweisen. Sie exprimieren spannungsgesteuerte Kaliumkanäle vom A- und verzögert gleichrichtenden Typ. Da die Dichte spannungsgesteuerter Natriumkanäle relativ gering ist, generieren Pax2-Zellen bei Injektion depolarisierender Ströme keine reifen Aktionspotentiale, sondern nur sogenannte Spikelets. Sie exprimieren zudem GABA_A- und AMPA-Rezeptoren, ionotrope Liganden-aktivierte Ionenkanäle für γ-Aminobuttersäure (GABA) bzw. Glutamat. Unerwarteterweise waren etwa 70 % der Pax2-Zellen bereits während der Migration durch den cerebellären Cortex, d. h. vor Erreichen ihrer endgültigen Position, synaptisch innerviert. Alle synaptisch innervierten Pax2-Zellen waren glutamaterg innerviert, 81 % zusätzlich GABAerg. Daraufhin untersuchten wir den Einfluss der synaptischen Innervation auf die Migration der Pax2-Zellen. Wir verglichen in drei akuten Vermisschnitten mittels xyzt-Zwei-Photonen-Zeitraffer-Videomikroskopie die Migration in artifizieller cerebrospinaler Flüssigkeit („Kontrolle“) mit der Migration nach Blockade der Freisetzung synaptischer Vesikel durch Tetanustoxin. Die Ausschaltung der synaptischen Transmission durch Tetanustoxin verringerte die mediane Geschwindigkeit der Pax2-Zellmigration nur um etwa 17 %. Hingegen verkürzte sich der Median der zurückgelegten Distanz um etwa 42 %. Dementsprechend verringerte sich auch die Geradlinigkeit der Migration um 29 %. Zudem war die Richtungspersistenz der Migration beeinträchtigt. Wir schließen daraus, dass die synaptische Innervation wichtig ist, um migrierende Pax2-Zellen zu leiten.Die vorgestellten Ergebnisse belegen, dass migrierende Vorläuferzellen cerebellärer inhibitorischer Interneurone bereits während ihrer Migration durch den cerebellären Cortex direkt synaptisch innerviert sind, und dass die Ausschaltung der synaptischen Innervation mittels Tetanustoxin die Geradlinigkeit ihrer Migration beeinträchtigt. Wir identifizieren einen Mechanismus, wie synaptische Aktivität während der Entwicklung die Positionierung von Interneuron-Vorläuferzellen und somit die Entwicklung neuronaler Netzwerke beeinflussen kann.