The effect of peripheral inflammation on in vivo functional properties of cortical networks

Abstract

To fight pathogens is a major challenge of the immune system and it involves a cascade of mechanisms coupled together to defend the body against harmful stimuli. Injection of the endotoxin Lipopolysaccharide (LPS), a part of the cell wall of gram-negative bacteria activates peripheral immune cells and provokes an inflammatory cytokine response propagating to the brain. Aim of this work is to investigate the in vivo functional properties of cortical networks during peripheral inflammation. Our results demonstrate that under inflammatory conditions, the properties of the cortical network in the intact brain are shifted towards a hyperactive state. Microglia and neurons react to peripheral inflammation, induced by LPS injections, with a clear increase of their spontaneous calcium signaling. By using in vivo two-photon-calcium-imaging, we characterized the behavior of these two cell types over time and provided insights into the mechanisms involved. We found evidence that the activation of specific cytokines is underlying the altered brain signaling and showed that neurons react to this inflammatory condition in a microglia-independent manner.

Die Bekämpfung von Krankheitserregern ist eine große Herausforderung für das Immunsystem und beinhaltet eine Kaskade verschiedener miteinander gekoppelter Mechanismen, um den Körper gegen schädliche Einflüsse zu schützen. Die Injektion des Endotoxins Lipopolysaccharid (LPS), eines Zellwandbestandteils gram-negativer Bakterien, führt zur Aktivierung peripherer Immunzellen und provoziert eine entzündliche Zytokinreaktion, die sich bis zum Gehirn ausbreitet. Ziel dieser Arbeit ist es, die funktionellen Eigenschaften des kortikalen Netzwerks während einer peripheren Entzündung unter in vivo Bedingungen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das kortikale Netzwerk im intakten Gehirn bei einer Entzündung in einen hyperaktiven Zustand versetzt wird. Sowohl Mikroglia als auch Neurone reagieren auf eine durch LPS-Injektion hervorgerufene periphere Entzündung mit einer deutlichen Zunahme ihrer spontanen Kalzium-Signalgebung. Mit Hilfe von in vivo Zwei-Photonen-Kalzium-Mikroskopie haben wir das Verhalten dieser beiden Zelltypen über die Zeit charakterisiert und Einblicke in die beteiligten Mechanismen gegeben. Wir fanden Hinweise darauf, dass die Aktivierung bestimmter Zytokine der veränderten Signalgebung zugrunde liegt und zeigten, dass Neurone unabhängig von Mikrogliazellen auf diesen Entzündungszustand reagieren.