Excitatory and inhibitory calcium activity during sleep

Abstract

Von der Schnecke über die Fliege und Echse bis hin zum Menschen, nahezu alle Organismen schlafen. Da der Organismus während dieser Phasen äußerst vulnerabel ist, muss Schlaf aus evolutionsbiologischer Sicht einer lebensnotwendigen Funktion dienen. Eine Funktion, die in den letzten Jahren zunehmend Beachtung gefunden hat, ist die potentielle Rolle des Schlafes für synaptische Plastizität. Hierbei hat die bisherige Forschung einerseits Belege für eine unspezifische, allgemeine Abschwächung der synaptischen Übertragungsstärke während des Schlafes gefunden, die möglicherweise der energieeffizienten Erhaltung der synaptischen Erregbarkeit dient. Andererseits untermauern viele Studien den positiven Effekt von Schlaf auf das Gedächtnis und die Verstärkung und Bildung neuer Synapsen während des Schlafs. Diese Befunde deuten auf eine komplexe, multidirektionale Dynamik der synaptischen Plastizität während des Schlafes hin. Für exzitatorische Synapsen konnte bereits gezeigt werden, dass sich während des Schlafs die Expression der Glutamatrezeptoren - und somit die Stärke erregender synap-tischer Verbindungen - verändert und stark von der jeweiligen intrazellulären Kalziumkonzentration abhängt. Neuronale Schaltkreise bestehen allerdings zu rund einem Drittel aus inhibitorischen Zellen, deren Rolle für die synaptische Plastizität während des Schlafs bisher nur wenig untersucht wurde. Die vorliegende Arbeit zielt daher darauf ab, schlafspezifische Veränderungen der Ak-tivität sowohl von exzitatorischen Pyramidenzellen als auch von verschiedenen Unter-gruppen von inhibitorischen Zellen zu charakterisieren, um ein möglichst umfassendes Bild der neuronalen Schaltkreise während des Schlafs zu gewinnen. In insgesamt drei Studien wurde hierzu die Kalziumaktivität gentechnisch veränderter Mauslinien mithilfe der in vivo Zwei-Photonen-Mikroskopie im Schlaf- und im Wachzustand gemessen. Die gleichzeitige Aufzeichnung von EEG-Signalen ermöglichte zusätzlich die Klassifizierung verschiedener Schlafstadien und schlafspezifischer EEG-Wellen. Studie I konzentrierte sich auf schlafstadienspezifische Veränderungen und zeigte, dass die Aktivität der exzitatorischen Zellen während des Tiefschlafs (SWS) und während des paradoxen Schlafs (REM) stetig abnimmt, während die Aktivität der inhibitorischen, Parvalbumin-positiven Interneurone (PV-In) während des REM-Schlafes ansteigt. Studie II untersuchte die Aktivität während verschiedener EEG-Rhythmen im Schlaf. Die hyperpolarisierte Phase der slow oscillation (SO) war von einer Zunahme der Aktivität der Somatostatin-positiven Interneurone (SOM-In) und einer gleichzeitigen Abnahme der PV-In Aktivität begleitet. Das entgegengesetzte Muster zeigte sich während der Schlaf-Spindeln. Hier wiesen die PV-In erhöhte Kalziumaktivität auf, während die Aktivität der SOM-In unverändert blieb. Exzitatorische Zellen zeigten nur dann eine erhöhte Aktivität, wenn Schlaf-Spindeln gekoppelt mit SOs auftraten. In Studie III wurden alle Zelltypen basierend auf ihrer Aktivität während der Schlaf-Spindeln gruppiert. Dies ermöglichte es zu testen, ob exzitatorische Zellen, die eine erhöhte Aktivität während der Schlaf-Spindeln aufweisen, ihre Erregbarkeit dauerhaft erhöhen. Diese Hypothese bestätigte sich. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Erregbarkeit der Zellen, die während der Spindeln inaktiv sind, abnimmt. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass Schlaf durch einzigartige Veränderungen der Balance zwischen neuronaler Erregung und Hemmung gekennzeichnet ist. Darüber hinaus weisen sie darauf hin, dass die Zellaktivierung während der Schlaf-Spindeln zu Veränderungen der synaptischen Übertragung, die die Erregbarkeit der Zelle dauerhaft verändern, beiträgt. Die Ergebnisse liefern die Grundlage für gezielte Manipulationen der jeweiligen Zellen zur Überprüfung kausaler Zusammenhänge in zukünftigen Studien.

From the snail to the fly and the lizard to humans, almost every organism sleeps. Since the organism is extremely vulnerable during these phases, from an evolutionary point of view sleep must serve a vital function to justify such a high risk. One function that has been receiving increased attention during the recent years is sleep’s potential role in synaptic plasticity. On the one hand, this line of research, has found evidence for an unspecific, general weakening of synaptic strength during sleep, which may serve the energy-efficient stabilization of synaptic excitability. On the other hand, it not only has shown beneficial effects of sleep on memory but also on strengthening and formation of synapses suggesting a variety of neuronal plasticity dynamics during sleep. For excitatory synapses, it has already been shown that over sleep the glutamate receptor expression and thus the excitatory synaptic connectivity changes and depends strongly on intracellular calcium concentrations. However, about one third of neuronal circuits consists of inhibitory cells, whose role for synaptic plasticity during sleep has so far received less attention. Therefore, the present work aims at characterizing sleep-specific changes in the activity of excitatory pyramidal cells as well as of different sub-groups of inhibitory cells in order to obtain a comprehensive picture of the neuronal circuits during sleep. In total three studies using in vivo two-photon microscopy combined with genetically modified mice were performed to record calcium activity of the different cell types. Simultaneous EEG recordings allowed the classification of different sleep stages and sleep-specific EEG oscillations. In study I we focused on sleep stage-specific changes and found that excitatory activity constantly reduces from wakefulness over slow wave sleep (SWS) to rapid eye movement (REM) sleep, whereas Parvalbumin-positive interneurons (PV-In) increased their activity during REM sleep. In study II we measured the calcium activity during distinct EEG rhythms. During SWS the hyperpolarized downstate of slow oscillations (SO) was accompanied by an increase in the activity of Somatostatin-positive interneurons (SOM-In) and a simultaneous decrease in PV-In activity. The opposite pattern was observed during sleep spindles. Here the PV-in showed increased calcium activity, while the activity of the SOM-in remained unchanged. Excitatory cells only showed increased activity when sleep spindles occurred coupled with SOs. In study III we clustered all cell types based on their activity during sleep spindles to test whether excitatory cells showing increased activity during spindles show permanently enhanced excitability. Indeed, we confirmed this hypothesis and furthermore found that the excitability of cells, which are inactive during spindles, decreased. Taken together, the results show that sleep is characterized by unique changes in the balance between neuronal excitation and inhibition. In addition, they indicate that cell activation during sleep spindles contributes to changes in synaptic plasticity, which permanently alter the excitability of the neural network. These findings provide the basis for targeted manipulations of the respective cells to validate causal relationships in future studies.