Serotonergic modulation and its influence on signal processing at cellular level in deep cerebellar nuclei neurons

Abstract

Deep cerebellar nuclei (DCN) neurons generate the final output of cerebellum and receive abundant modulatory serotonergic inputs from brainstem neurons. The aim of this present study was to elucidate the influence of serotonin on signal processing performed by DCN neurons. Since signal processing is determined by the interplay between intrinsic and synaptic properties, the impact of serotonin on intrinsic as well as synaptic properties was investigated. To this end whole-cell patch clamp recordings were performed in rat cerebellar slices.

Serotonin caused a persistent membrane depolarization at current clamp recordings, which was mediated by an increase of tonic cationic currents and a concomitant decrease of tonic potassium currents. At the same time, serotonin influenced the waveform of action potentials that showed a reduced depolarization slope and peak amplitude, both indicating a reduced availability of voltage-gated sodium channels. However, serotonin showed a complicated effect at dynamic clamp recordings where the neuronal response depended on the average activity level before drug application. Spike rate was reduced by serotonin for depolarized high activity states and unaltered or slightly increased for hyperpolarized low activity states. The spike timing precision was not altered, showing that the response of DCN neurons to input transients was not affected by serotonin. The overall synaptic shunting level of the simulated synaptic inputs had also an impact as it shifted the degree of depolarization induced by serotonin. Therefore, the effect of serotonin on DCN activity was influenced twofold by background synaptic activity, first via its impact on the mean activity level and second via its shunting strength.

Due to the functional relevance of inhibitory transmission between Purkinje cells and DCN neurons, its modulation by serotonin was the second focus of this study. Two previous studies have described frequency dependent short-term depression of this synapse in response to repetitive activation with multiple spike trains. Using dynamic clamp in the present study revealed that short-term depression might stabilize the membrane potential close to the activation threshold thereby significantly extended the working range of DCN neurons into regimes of high inhibitory input activity. Short-term depression did not change spike timing precision showing that responses to input transients were unaltered. Serotonin reduced the amplitude of evoked inhibitory postsynaptic currents potentially by reducing the release probability of presynaptic GABAA vesicles. However, short-term depression was not altered by serotonin at all tested frequencies, neither for the initial nor the steady-state phase. The time course of recovery from depression was not influenced by serotonin either.

Overall these results indicate that serotonin altered the input-output transfer function of DCN neurons. Therefore, serotonin might act in concert with short-term depression as a high-pass filter, making the response of DCN neurons less dependent on the mean level of inhibitory input while retaining their sensitivity to transient changes in input activity and synchronized input.

Neurone der tiefen Kleinhirnkerne (DCN) erzeugen die Ausgangsaktivität des Kleinhirns und erhalten vielfältigen modulatorischen Input von Neuronen des Hirnstamms. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, den Einfluss von Serotonin auf die Signalverarbeitung in DCN Neuronen aufzuklären. Da die Signalverarbeitung durch das Zusammenspiel intrinsischer und synaptischer Eigenschaften bestimmt wird, wurde die Wirkung von Serotonin sowohl auf intrinsische als auch auf synaptische Eigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck wurden Whole-Cell Patch Clamp Ableitungen in Gewebeschnitten des Kleinhirns von Ratten durchgeführt.

Serotonin verursachte eine dauerhafte Depolarisation des Membranpotentials in Current Clamp Ableitungen, die durch eine Zunahme anhaltender kationischer Ströme und eine gleichzeitige Abnahme anhaltender Kaliumströme verursacht wurde. Zugleich beeinflusste Serotonin den Potentialverlauf von Aktionspotentialen, der eine verringerte Anstiegssteilheit und eine verringerte maximale Amplitude aufwies, was auf eine reduzierte Verfügbarkeit an spannungsabhängigen Natriumkanälen hinweist. In Dynamic Clamp Ableitungen war die Wirkung von Serotonin jedoch komplizierter, da die neuronale Antwort vom Aktivitätsniveau vor der Substanzapplikation abhing. Die Aktionspotentialfrequenz wurde durch Serotonin verringert für depolarisierte hohe Aktivitätsniveaus und sie war unverändert oder wurde leicht reduziert für niedrige Aktivitätsniveaus. Die zeitliche Präzision der Aktionspotentiale war unverändert, was zeigt, dass Serotonin die Reaktion von DCN Neuronen auf Änderungen der Eingangsaktivität nicht beeinflusst. Der Shunting Effekt des simulierten synaptischen Inputs hatte ebenfalls einen Einfluss, da seine Gesamtstärke einen Einfluss auf die durch Serotonin verursachte Depolarisation hatte. Daher wurde die Wirkung von Serotonin auf die Aktivität von DCN Neuronen in zweifacher Weise durch die synaptische Hintergrundaktivität beeinflusst, zum einen durch ihre Wirkung auf das mittlere Aktivitätsniveau, zum anderen durch die Stärke des Shunting Effekts.

Aufgrund der funktionellen Bedeutung der hemmenden Übertragung zwischen Purkinjezellen und DCN Neuronen war ihre Modulation durch Serotonin der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit. Zwei frühere Studien haben die frequenzabhängige kurzzeitige Reduktion der synaptischen Übertragungsstärke (Short-Term Depression) mittels wiederholter Aktivierung während Aktionspotentialfolgen untersucht. Mithilfe von Dynamic Clamp wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass das Membranpotential durch Short-Term Depression vermutlich nahe der Aktivierungsschwelle stabilisiert wird, wodurch der Arbeitsbereich von DCN Neuronen beträchtlich in Bereiche erhöhter hemmender Eingangsaktivität ausgedehnt sein könnte. Short-Term Depression hat die zeitliche Präzision der Aktionspotentiale nicht beeinflusst, was zeigt, dass die Antwort auf Inputtransienten nicht verändert wurde. Serotonin hat die Amplitude von hemmenden postsynaptischen Strömen verringert womöglich durch eine Reduktion der Freisetzungswahrscheinlichkeit für präsynaptische GABAA Vesikel. Die Short-Term Depression wurde durch Serotonin jedoch bei keiner der getesteten Frequenzen verändert, weder in der frühen Phase noch in der späten Gleichgewichtsphase. Der Zeitverlauf der Erholung von der Depression war in seinem Zeitverlauf durch Serotonin ebenfalls nicht beeinflusst.

Zusammengefasst weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass durch Serotonin die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion von DCN Neuronen verändert wurde. Serotonin könnte in Zusammmenarbeit mit der Short-Term Depression als Hochpassfilter wirken, wodurch die Reaktion von DCN Neuronen weniger vom mittleren Niveau der hemmenden Eingangsaktivität abhängen würde während ihre Empfindlichkeit gegenüber vorübergehenden Änderungen der Eingangsaktivität und synchronisierter Eingangsaktivität unverändert erhalten bliebe.