Department of Pharmacology, Southern Illinois University School of Medicine, Springfield, Illinois, United States of America.
PLoS One. 2010 Nov 12;5(11):e13964. doi: 10.1371/journal.pone.0013964.
The level of expression of functional α7-containing nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) in hippocampal CA1 pyramidal neurons is believed to be very low compared to hippocampal CA1 interneurons, and for many years this expression was largely overlooked. However, high densities of expression of functional α7-containing nAChRs in CA1 pyramidal neurons may not be necessary for triggering important cellular and network functions, especially if activation of α7-containing nAChRs occurs in the presence of positive allosteric modulators such as PNU-120596.
METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: An approach previously developed for α7-containing nAChRs expressed in tuberomammillary neurons was applied to investigate functional CA1 pyramidal α7-containing nAChRs using rat coronal hippocampal slices and patch-clamp electrophysiology. The majority (∼71%) of tested CA1 pyramidal neurons expressed low densities of functional α7-containing nAChRs as evidenced by small whole-cell responses to choline, a selective endogenous agonist of α7 nAChRs. These responses were potentiated by PNU-120596, a novel positive allosteric modulator of α7 nAChRs. The density of functional α7-containing nAChRs expressed in CA1 pyramidal neurons (and thus, the normalized net effect of activation, i.e., response net charge per unit of membrane capacitance per unit of time) was estimated to be ∼5% of the density observed in CA1 interneurons. The results of this study demonstrate that despite low levels of expression of functional pyramidal α7-containing nAChRs, physiological levels of choline (∼10 µM) are sufficient to activate these receptors and transiently depolarize and even excite CA1 pyramidal neurons in the presence of PNU-120596. The observed effects are possible because in the presence of 10 µM choline and 1-5 µM PNU-120596, a single opening of an individual pyramidal α7-containing nAChR ion channel appears to transiently depolarize (∼4 mV) the entire pyramidal neuron and occasionally trigger action potentials.
与海马 CA1 中间神经元相比,海马 CA1 锥体神经元中功能性 α7 型烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)的表达水平被认为非常低,多年来,这种表达在很大程度上被忽视了。然而,功能性 α7 型 nAChRs 在 CA1 锥体神经元中的高表达密度对于触发重要的细胞和网络功能可能不是必需的,特别是如果激活 α7 型 nAChRs 发生在阳性变构调节剂(如 PNU-120596)的存在下。
方法/主要发现:先前开发的用于在结节乳头核神经元中表达的 α7 型 nAChRs 的方法被应用于使用大鼠冠状海马切片和膜片钳电生理学来研究功能性 CA1 锥体 α7 型 nAChRs。大多数(约 71%)测试的 CA1 锥体神经元表达低密度的功能性 α7 型 nAChRs,这可以通过胆碱作为选择性内源性 α7 nAChR 激动剂引起的小全细胞反应来证明。这些反应被 PNU-120596 增强,PNU-120596 是一种新型的 α7 nAChR 正变构调节剂。CA1 锥体神经元中表达的功能性 α7 型 nAChRs 的密度(因此,激活的归一化净效应,即单位时间内单位膜电容的响应净电荷量)估计为 CA1 中间神经元中观察到的密度的 5%。这项研究的结果表明,尽管功能性锥体 α7 型 nAChRs 的表达水平较低,但生理浓度的胆碱(约 10µM)足以激活这些受体,并在 PNU-120596 的存在下短暂去极化甚至兴奋 CA1 锥体神经元。观察到的效应是可能的,因为在 10µM 胆碱和 1-5µM PNU-120596 的存在下,单个锥体 α7 型 nAChR 离子通道的单次开放似乎会短暂去极化(约 4mV)整个锥体神经元,并偶尔触发动作电位。
1)大多数海马 CA1 锥体神经元表达功能性 α7 型 nAChRs。在没有 PNU-120596 的情况下,一种 α7 nAChR 的正变构调节剂,一些海马 CA1 锥体神经元对 0.5-1mM 胆碱的局灶应用无反应并不意味着这些神经元中功能性 α7 型 nAChRs 的表达缺失。相反,它可能表明通过膜片钳电生理学检测到缺乏 α7 型 nAChR 介导的电流。2)PNU-120596 可作为检测和增强功能性 α7 型 nAChRs 密度低的有力工具,例如存在于海马 CA1 锥体神经元中的 nAChRs。3)在 PNU-120596 的存在下,生理浓度的胆碱激活功能性 CA1 锥体 α7 型 nAChRs,并产生阶跃样电流,导致重复的阶跃样去极化,偶尔在 CA1 锥体神经元中触发爆发性动作电位。因此,这项研究的结果表明,在 PNU-120596 及可能的其他正变构调节剂的存在下,内源性胆碱可能持续激活 CA1 锥体 α7 型 nAChRs,增强 CA1 锥体神经元的兴奋性,从而作为一种具有潜在神经保护和认知增强特性的有效治疗药物。