German Title: Die Rolle hippokampaler GluA1-enthaltender AMPA Rezeptoren bei Lernen und Gedächtnis

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Abstract

The hippocampus (HPC), a brain area important for spatial learning and memory, requires concerted excitatory synaptic transmission via intrinsic and extrinsic connections. This transmission is mainly mediated by AMPA receptors. AMPA receptor subunit GluA1 knock-out (GluA1-/-) mice show distinct HPC-dependent behavioral phenotypes. These mutant mice are hyperactive, have no spatial working memory (SWM) and are impaired in the expression of experience-dependent behavioral despair. However, since GluA1-/- mice are globally lacking GluA1, the specific contribution of the HPC to these behaviors has not been investigated. I therefore examined the role of GluA1 in HPC by stereotaxically injecting recombinant adeno-associated viruses (rAAVs) to alter the GluA1 content of infected neurons. I employed two approaches. In the first approach, to elucidate the contribution of hippocampal GluA1-containing AMPA to different behaviors, GluA1-/- mice were injected with a GluA1-expressing rAAV in HPC, thereby reintroducing GluA1 into this area (knock-in approach). In the second approach, to detect behaviors requiring hippocampal GluA1-containing AMPA receptors in HPC, mice with floxed GluA1 alleles (GluA12lox/2lox mice) were stereotaxically injected with an rAAV expressing Cre-recombinase, thereby deleting GluA1 from this area (knock-out approach). After virus injection, the mice were tested in open field, rewarded alternation on the T-maze, and Porsolt forced swim test (FST). The results show that hyperactivity was abolished in mice from the knock-in approach, indicating that lack of GluA1 in HPC induces hyperactivity. Knock-in approach mice still had impaired SWM, while knock-out approach mice only had a partially impaired SWM, suggesting that hippocampal GluA1-containing AMPA receptors are necessary but not sufficient for intact SWM. Knock-out approach mice showed no experience-dependent changes in immobility in the FST, suggesting that hippocampal GluA1-containing AMPA receptors are required for the expression of learned behavioral despair in the FST. Overall, my thesis work dissected behaviors strictly dependent on hippocampal GluA1-containing AMPA receptors. Interestingly, and in contrast to what was hypothesized so far, SWM was not solely dependent on the HPC. Thus, this study further improves our understanding on the expression of HPC-dependent behaviors.

Translation of abstract (German)

Der Hippokampus (HPC), ein wichtiges Gehirngebiet für räumliches Lernen, benötigt konzertierte erregende synaptische Übertragung mittels intrinsischer und extrinsischer Verbindungen. Diese synaptische Übertragung wird hauptsächlich durch AMPA-Rezeptoren gewährleistet. Mäuse in denen die AMPA-Rezeptoruntereinheit GluA1 fehlt (GluA1-/-) zeigen bestimmte HPC-abhängige Verhaltensweisen. GluA1-/- Mäuse sind hyperaktiv, haben kein räumliches Arbeitsgedächtnis und zeigen gestörtes behavioral despair. Da diesen Mäusen GluA1 global fehlt, konnte der spezifische Einfluss des HPC an diesen Verhaltensänderungen noch nicht untersucht werden. Aus diesem Grund untersuchte ich die Rolle von GluA1 im HPC indem ich rekombinante Adeno-assoziierte Viren (rAAVs) stereotaktisch in den HPC injizierte, um den GluA1-Gehalt der infizierten Neurone zu verändern. Dazu nutze ich zwei Ansätze. Im ersten Ansatz, um die Rolle von GluA1 im HPC zu untersuchen, wurden GluA1-/- Mäuse mit einem GluA1-expremierenden rAAV injiziert, wodurch GluA1-haltige AMPA-Rezeptoren in dieses Gehirnareal zurückgebracht wurden (knock-in Ansatz). Im zweiten Ansatz, um Verhaltensänderungen zu erkennen die GluA1 im HPC benötigen, wurden Mäuse mit gefloxten GluA1-Allelen stereotaktisch mit einem Cre-Rekombinase expremierenden rAAV im HPC injiziert, wodurch GluA1 aus diesem Areal herausgenommen wurde (knock-out Ansatz). Nach der Virusinjektion wurden die Mäuse im Offenfeld, belohnter Alternierung im T-maze und dem Porsolt Schwimmtest gestestet. Die Ergebnisse zeigen, dass in den knock-in Ansatz Mäusen die Hyperaktivität aufgehoben wurde, was darauf hinweist, dass fehlendes GluA1 im Hippokampus Hyperaktivität verursacht. Knock-in Ansatz Mäuse hatten noch immer ein fehlendes räumliches Arbeitsgedächtnis, während knock-out Ansatz Mäuse ein teilweise verschlechtertes räumliches Arbeitsgedächtnis hatten. Diese Ergebnisse wiesen darauf hin, dass GluA1 im HPC notwendig, jedoch nicht ausreichend für ein intaktes räumliches Arbeitsgedächtnis ist. Knock-out Ansatz Mäuse zeigten keine erfahrungsabhängigen Immobilitätsänderungen im Porsolt Schwimmtest, was darauf hinweist, dass GluA1 im HPC notwendig für behavioral despair im Porsolt Schwimmtest ist. Zusammengenommen untersuchte ich in meiner Arbeit Verhaltens-weisen, die ausschließlich von GluA1 im HPC abhängig sind. Interessanterweise und im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde, ist räumliches Arbeitsgedächtnis nicht allein vom HPC abhängig. Daher hilft diese Studie unsere Kenntnisse über HPC-abhängige Verhaltensweisen zu verbessern.