1. Interaktion zwischen entorhinalem Kortex und Hippokampus Lernen und Gedächtnis sind auf das engste mit dem Hippokampus und dem entorhinalen Kortex (EC) verbunden. Allerdings sind diese Hirnstrukturen auch an einer der häufigsten und medikamentös oftmals nur schwer therapierbaren fokalen Epilepsien beteiligt: der mesialen Temporallappenepilepsie (TLE). Der EC scheint eine wesentliche Bedeutung in der Generierung extrahippokampaler Temporallappenanfälle zu besitzen. Unsere bisherigen Untersuchungen zur Interaktion zwischen dem EC und dem Hippokampus haben gezeigt, daß unter physiologischen Bedingungen die Area dentata eine Filterfunktion übernimmt und die Übertragung epileptiformer Aktivität vom EC zum Hippokampus unterbindet. Im chronisch epileptischen Tier (Kindling-Modell) kommt es allerdings zu einer Aufhebung dieser Filterfunktion und somit zu einer ungehinderten Ausbreitung epileptiformer Aktivität in den Hippokampus. Da der glutamaterge NMDA-Rezeptor eine zentrale Rolle in der Induktion nutzungsabhängiger Plastizität spielt, ist er von wesentlicher Bedeutung in der Epileptogenese. Untersuchungen an Körnerzellen der Area dentata zeigten wenige Stunden nach dem letzten epileptischen Anfall eine Zunahme der über NMDA-Rezeptoren vermittelten Ströme. Diese führte zu einer Faszilitierung hochfrequenter reizevozierter Potentiale. Dieser Befund zeigt, daß im epileptischen Gewebe hochfrequente Entladungen die Area dentata überwinden können und in den Hippokampus weitergeleitet werden. Vier Wochen nach dem letzten Anfallsereignis waren die beschriebenen Veränderungen allerdings nicht mehr nachweisbar. Diese kurzzeitig veränderte synaptische Transmission der NMDA-Rezeptorkanäle scheint demzufolge eher für die Epileptogenese als für die Ictogenese verantwortlich zu sein. Die Bedeutung der Kainat-Rezeptoren im chronisch epileptischen Gewebe ist aufgrund der bis vor wenigen Jahren fehlenden selektiven Agonisten und Antagonisten kaum untersucht worden. Wir haben gezeigt, daß in der Area dentata des chronisch epileptischen Tieres (Kindling-Modell) die Aktivierung von präsynaptischen Kainat-Rezeptoren inhibitorischer Interneurone sowohl die spontane als auch die reizevozierte GABA-Freisetzung reduziert. Über diesen Mechanismus scheint der während eines epileptischen Anfalls vermehrt freigesetzte exzitatorische Neurotransmitter Glutamat die GABAerge Inhibition zu vermindern und somit die Erregbarkeit der Area dentata zu steigern. 2. Die Rolle des Subikulums in der Temporallappenepilepsie Eine wesentliche Aufgabe des Subikulums ist es, hippokampale Informationen zu verarbeiten und in verschiedene kortikale und subkortikale Hirnregionen weiterzuleiten. Zudem scheint es von besonderer Bedeutung für die Generierung und Ausbreitung hippokampaler Anfälle zu sein. Gestützt wird diese Annahme durch folgende Befunde: Zunächst besitzt das Subikulum Netzwerkeigenschaften, die es ihm im in vitro Epilepsiemodell ermöglichen, spontane epileptiforme Aktivität zu generieren. Darüber hinaus verfügt es über einen hohen Anteil sogenannter burst-spiking Zellen. Deren intrinsische Eigenschaften tragen erheblich zu dem epileptogenen Verhalten des Subikulums bei. Weiterhin erhalten subikuläre Pyramidenzellen exzitatorische Eingänge sowohl aus der Area CA1 als auch aus dem EC, welche bereits bei Ruhemembranpotential aktivierbare NMDA-Rezeptorströme zeigen. Schließlich zeigen burst-spiking Zellen im Vergleich zu regular-spiking Zellen eine ausgeprägte über NMDA-Rezeptoren vermittelte synaptische Plastizität (Langzeit-Potenzierung; LTP). Untersuchungen am chronisch epileptischen Tier (Kindling-Modell) ergaben einen unverändert hohen Anteil an burst-spiking Zellen im Subikulum. Wenige Stunden nach dem letzten epileptischen Anfall fällt bei diesen Neuronen eine fehlende, durch Aktionspotentiale induzierte Nachhyperpolarisation auf. Diese supprimierte intrinsische Hemmung ist jedoch 28 Tage nach dem letzten epileptischen Anfall nicht mehr nachzuweisen und spielt demzufolge insbesondere in der Genese, weniger im chronischen Verlauf der Erkrankung eine Rolle. Neben den exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmittern Glutamat und GABA bestimmen auch körpereigene Amine wie Serotonin und Dopamin über subkortikale Afferenzen das funktionelle Gleichgewicht aus Erregung und Hemmung wesentlich mit. Da die TLE nicht selten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen einhergeht, die mit in das Dopamin- und Serotoninsystem eingreifenden Pharmaka therapiert werden, haben wir uns in einigen Arbeiten mit deren modulatorischen Wirkungen auf die Membraneigenschaften und die synaptische Transmission befaßt. Die Wirkungen von Dopamin auf die Neurotransmission sind vielfältig, abhängig von den beteiligten Rezeptoren in der entsprechenden Hirnregion. Das Subikulum, das eine ausgeprägte mesenzephale, dopaminerge Projektion vom ventralen Tegmentum erhält, expremiert sowohl D1- als auch D2-Rezeptoren. Wir konnten zeigen, daß Dopamin primär die glutamaterge synaptische Transmission über einen präsynaptisch lokalisierten D1-Dopaminrezeptor unterdrückt und sekundär über die verminderte Erregung inhibitorischer Interneurone die polysynaptische GABAerge Hemmung reduziert. / 1. Interaction between the entorhinal cortex and the hippocampus The hippocampus and the entorhinal cortex are crucially involved in the acquisition, consolidation and retrieval of long-term memory traces. However, both structures play a critical role in pharmacologically intractable temporal lobe epilepsy. The entorhinal cortex provides the main input to the hippocampus. We have shown that kindling facilitates the propagation of epileptiform activity through the dentate gyrus. Our data are consistent with the normal function of the dentate gyrus as a filter limiting the spread of epileptiform activity within the entorhinal-hippocampal complex. This gating mechanism breaks down after chronic epilepsy induced by kindling. In the mammalian brain, the NMDA subclass of glutamate receptors plays a central role in the induction of several forms of use-dependent plasticity. However, synaptic plasticity can potentially underlie pathological situations, notably in animal and human forms of epilepsy. The enhanced excitability of the kindled dentate gyrus several hours after the last seizure, as well as the breakdown of its gating function, appear to result from transiently enhanced NMDA receptor activation that provides significantly slower EPSC kinetics than those observed in control slices and in slices from kindled animals with a four weeks seizure-free interval. Therefore, NMDA receptors seem to play a critical role in the acute throughput of seizure activity and in the induction of the kindled state but not in the persistence of enhanced seizure susceptibility. The functional involvement of kainate receptors in epileptogenesis gets more and more elucidated. We found that in chronic epileptic rats (kindling-model), activation of presynaptic kainate receptors of inhibitory interneurons depresses spontaneous and stimulus-induced GABA release. The kindling-induced sensitivity of GABA release to kainate receptor activation may produce a use-dependent hyperexcitability in the epileptic dentate gyrus facilitating the spread of limbic seizures through the entorhinal-hippocampal complex in temporal lobe epilepsy. 2. The role of the subiculum in temporal lobe epilepsy The subiculum controls most of the entorhinal-hippocampal output. It receives strong excitatory input from area CA1 and the entorhinal cortex and relays information to a variety of distant cortical and subcortical structures. The subiculum seems to be crucially involved in the generation and propagation of hippocampal seizures. The seizure susceptibility of the subiculum relies (a) on a high fraction of burst-firing principle cells that a capable to undergo synaptic plasticity and (b) on an epilepsy-prone network to generate spontaneous seizures. In both, control and kindled preparations the subiculum contains an extensive sub-population of bursting cells expressing amplifying membrane characteristics. Subicular cells showed a transient depression of the fast and slow afterhyperpolarization in the course of kindling that may contribute to the induction but not permanence of the kindled state. Apart from the excitatory and inhibitory neurotransmission physiological amines like 5-HT and dopamine (DA) may offset the frail balance between excitation and inhibition in the hippocampus. As temporal lobe epilepsy is often associated with diseases that are treated with drugs affecting the 5-HT and DA system, we investigated the effect of these transmitters on intrinsic and synaptic properties of subicular principle cells. The subiculum receives a dense mesencepahalic dopaminergic projection from the ventral tegmental area and expresses high levels of D1- and D2-like DA receptors. Our results indicate that DA strongly suppresses glutamatergic hippocampal and entorhinal neurotransmission onto subicuar neurons by activation of presynaptic D1-like DA receptors. In addition, DA decreases polysynaptic inhibition by attenuating the glutamatergic drive onto subicular interneurons.

Im Subikulum der Ratte finden sich zwei unterschiedliche Typen von Pyramidalzellen, die sich auf Grund ihres intrinsischen Entladungsverhaltens unterscheiden. Die Funktion dieser beiden Zelltypen hinsichtlich der synaptischer Neurotransmission ist unklar. Bursterzellen und regulär feuernde Zellen zeigten nach tetanischer Reizung ein unterschiedliches Ausmaß der LTP. Neben der zellspezifischen Ausprägung der LTP fanden sich mehrere Hinweise auf eine zielspezifische Projektion der Efferenzen der vorgeschalteten Area CA1. Die durchgeführten Experimente legen den Schluss nahe, dass Axone von Pyramidalzellen der Area CA1 selektiv auf subikuläre Pyramidenzellen projizieren und so den hippokampalen Informationsfluss steuern und regulieren können. NMDA-Rezeptoren auf beiden Seiten des synaptischen Spaltes spielen hier eine besondere Rolle. Präsynaptische NMDAR der Untereinheit NR2B scheinen an der LTP in Bursterzellen beteiligt zu sein und über einen vermehrten Kalziumeinstrom in die Präsynapse eine langanhaltende Erhöhung der Transmitterausschüttung herbeizuführen. Ebenso zeigten sich abhängig von der Zielzelle Hinweise auf eine unterschiedliche Aktivierung der präsynaptischen Adenylylcyclase-cAMP Kaskade. In Pilokarpin-behandelten Tieren ließ sich nach hochfrequenter Reizung keine langanhaltende Potenzierung der synaptischen Antworten nachweisen. Stattdessen scheinen polysynaptisch latente Verbindungen mittels tetanischer Stimulation aktivierbar zu sein. In einigen Fällen waren diese polysynaptisch latenten Verbindungen per se, in anderen Fällen nach Blockade der GABAergen Neurotransmission aktiv. In Hirnschnittpräparaten von Patienten mit pharmakoresistenter Temporallappenepilepsie konnte im Subikulum spontane rhythmische Aktivität mit einer Frequenz von 0,75 bis 3 Hz aufgezeichnet werden. Diese Aktivität, bestehend aus EPSP/IPSP Sequenzen, wurde sowohl in sklerotischem als auch in nicht sklerotischem Gewebe gefunden. In beiden Gruppen korrelierte die in vitro Aktivität sehr gut mit dem präoperativen Auftreten elektroenzephalografisch detektierter interiktaler Aktivität. Die Blockade GABAerger oder glutamaterger Neurotransmission hob die inhibitorische bzw. exzitatorische Aktivität auf. Dies legt den Schluss nahe, dass sowohl Interneurone wie Pyramidalzellen an der spontanen rhythmischen Aktivität beteiligt sind. / The subiculum plays a key role in processing memory information from the hippocampus to different cortical and subcortical brain regions. Subicular pyramidal cells are classified as regular firing or bursting cells according to their responses to supra-threshold depolarizing current pulses. Synaptic terminals arising from CA1 pyramidal cells do not function as a single compartment but show a specialized synaptic plasticity onto subicular pyramidal cells depending on the discharge properties of the synaptic target. Tetanic stimulation of CA1 axons caused a significantly stronger long-term potentiation (LTP) in bursting cells than in regular firing cells. Postsynaptic bursting was not necessary for the enhanced synaptic potentiation in bursting cells. The LTP in bursting neurons was independent of postsynaptic calcium, induced by presynaptic NR2B-containing autoreceptors and mediated via a adenylyl cylcase-cAMP-dependent signaling cascade. In pilocarpine-treated animals subicular LTP was impaired. A long-lasting increase in synaptic transmission could not be observed after titanic stimulation neither in regular firing cells nor in bursting cells. In human brain slices resected from patients from with drug-resistant temporal lobe epilepsy the subiculum displayed spontaneous rhythmic activity. In sclerotic but also in non-sclerotic hippocampal tissue the subiculum showed cellular and synaptic changes which suffice to generate spontaneous rhythmic activity that is correlated with the occurrence and frequency of interictal discharges recorded in the electroencephalograms of the corresponding patients.

Der Hippokampus spielt eine wichtige Rolle bei der Erfassung, Festigung und dem Wiederabrufen von Gedächtnisinhalten. Diese Prozesse werden von Oszillationen begleitet, die synchronisierte neuronale Aktivität wiederspiegeln. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ‘ripples’, eine schnell schwingende Netzwerkaktivität, die an der Festigung von Gedächtnisinhalten beteiligt ist. Das Subikulum ist eine der Hauptausgangsstationen des Hippokampus und überträgt Informationen zu Zielregionen außerhalb dieser Region. Um dies besser zu verstehen, habe ich hier die Eigenschaften von subikulären Pyramidenzellen und deren Regulierung während ripples untersucht. Es zeigte sich, dass eine Untergruppe von Zellen, burst (in Salven) feuernde Zellen, ihre Aktivität erhöht, während eine zweite Untergruppe, regulär feuerende Zellen, ihre Aktivitaet während ripples vermindert. Ferner ist bei regulär feuernden Zellen das Verhältnis zwischen Inhibition und Exzitation höher als bei burst feuernden Zellen. Zusammen mit Erkenntnissen aus früheren Studien lassen diese Ergebnisse vermuten, dass Information während ripples hauptsächlich zu Zielregionen der burst feuernden Zellen geleitet wird. Neben Pyramidenzellen beherbergt der Hippokampus auch eine Vielzahl verschiedener Interneurone. Im zweiten Teil dieser Arbeit habe ich O-LM Interneurone der hippokampalen Region CA1 untersucht. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle von Eingängen aus dem entorhinalen Kortex. Wir konnten zeigen, dass die exzitatorische Übertragung auf O-LM Interneurone durch Serotonin, einem von den Raphe-Kernen ausgeschütteten Neuromodulator, vermindert wird. Dies geschieht durch einen präsynaptischen Mechanismus, der wahrscheinlich eine Verminderung des Kalziumeinstroms in präsynaptische Endigungen umfasst. Eine Verminderung der Aktivität von O-LM Interneuronen durch Serotonin könnte die synaptische Übertragung von Signalen aus dem entorhinalen Kortex auf CA1 Pyramidenzelldendriten erleichtern. / The hippocampus plays an important role in the acquisition, consolidation and retrieval of memory. These processes are accompanied by hippocampal oscillations, which reflect synchronized neuronal activity. The first part of this thesis focuses on ripples, a fast oscillatory activity which is involved in memory consolidation. The subiculum as one of the main output areas of the hippocampus is ideally suited to mediate information transfer to extrahippocampal targets. Here I investigated the properties of subicular pyramidal cells and their modulation during ripples. I found that a subset of subicular pyramidal cells increases its firing rate during ripples whereas another subset decreases its firing rate. Furthermore I was able to identify a correlate between modulation and cell subtype: burst firing cells increased their firing rate, and regular firing cells decreased their firing rate. We could further show that regular firing cells receive a higher ratio of inhibition to excitation as compared to burst firing cells. Together with earlier work, these results suggest that information transferred during ripples is likely to be routed preferentially to target regions of the burst firing subtype. Besides pyramidal cells, the hippocampus hosts a variety of interneuron types. The second part of this thesis focuses on GABAergic O-LM interneurons of hippocampal area CA1, which play an important role in controlling input from the entorhinal cortex. We could show that excitatory transmission from local pyramidal cells onto O-LM interneurons is decreased by serotonin, a neuromodulator released from the midbrain raphe nuclei. This modulation is mediated by a presynaptic mechanism and is likely to involve a decrease in calcium influx into presynaptic terminals. We conclude that serotonin, by decreasing O-LM output, might release fibers from entorhinal cortex impinging onto CA1 pyramidal cell dendrites from inhibition.