Opioids and opioids receptors in the rodent hippocampus: distribution, synaptology, and connection with the local GABAergic circuitry

Abstract

Endogenous opioid peptides have been implicated as inhibitory peptides in the central nervous system. In the hippocampal formation, however opioids have an excitatory effect on principal neurons. A number of physiological experiments have shown that this effect is elicited by a reduction of GABA-mediated inhibitory transmission. These opioid peptides are known to have a powerful effect on hippocampal inhibition. The possible endogenous source of these peptides and their relationship to inhibitory interneurons still remain to be identified. In our studies we investigated the morphological and structural characteristics of the hippocampal opioidergic elements in a number of rodents widely used in laboratory experiments, their coexistence with other classical and non-classical transmitters, their target selectivity, and the distribution of their receptors at the light and electron microscopic level. Beside the most prominent mossy fibre system, we revealed opioid-containing varicose fiber-system innervating principal and non-principal neurons. These fibres mainly formed pericellular baskets around non-principal (rat, mouse) or principal cells (mouse, guinea-pig, hamster). The electron microscopic studies showed that part of the hippocampal opioidergic terminals also contain GABA and establish contact with dendrites and somata of inhibitory interneurons, whereas others are GABA-negative and make asymmetrical synapses. We also examined the distribution of the kappa-type opioid receptor (KOR). The guinea-pig hippocampus did not exhibit KOR immunoreactivity, however KOR immunopositive neuronal cell bodies, proximal dendrites and occasionally glial processes surrounding neuronal somata were labelled in the hilus of the dentate gyrus and in the oriens layer of the CA1 area of the rat, hamster and gerbil. The shape of these interneurons was fusiform or multipolar. From among the known interneuron subtypes, somatostatin- (SOM) and neuropeptide Y- (NPY) immunoreactive hippocampal interneurons show similar morphology and distribution. With the help of double immunocytochemical labelling, we provided direct evidence that the majority of the interneurons are immunoreactive for SOM and/or NPY also express the κ-opioid receptor. The target selectivity of opioid peptide containing terminals and co-expression of opioid receptors with other neuropeptides suggests a highly specific opioidergic control of hippocampal synaptic plasticity. The involvement of specific subsets of GABAergic neurons in hippocampal opiate effects provide evidence that endogenous opioids can indirectly modulate the activity of principal cells and play a crucial role in the normal and pathological activity of the hippocampal formation.

Az endogén opioidok elsősorban gátló hatású neurotranszmitterként váltak ismertté a központi idegrendszerben. A hippocampalis formatioban azonban hatásuk ezzel ellentétes, a különböző opioid hatású szerek és peptidek serkentőleg hatnak a principális sejtekre. Számos fiziológiai vizsgálat arra hívja fel a figyelmet, hogy a megfigyelt, opioidoknak tulajdonított serkentő hatás a helyi GABAerg gátló rendszer hatásfokának csökkentése révén alakul ki. A feltételezések szerint az endogén opioid peptidek igen hatásosan képesek befolyásolni a hippocampalis gátlási folyamatokat. Ezen gátlási szabályozás megértéséhez azonban ismernünk kell az opioid peptidek endogén forrását és a gátló interneuronokhoz fűződő viszonyukat. Vizsgálataink során a hippocampalis opioid rendszer elemeinek morfológiai és strukturális jellemzőit tártuk fel számos, a laboratóriumi kísérletekben leggyakrabban használt rágcsáló fajban. Megállapítottuk az endogén opioid peptidek viszonyát más, klasszikus és nem klasszikus neurotranszmittert tartalmazó rendszerekhez, morfológiailag jellemeztük preferált célprofiljaikat, a szinapszisok specificitását valamint az egyik opioid receptor altípus, a kappa-opioid receptor megoszlását mind fény, mind elektronmikroszkópos szinten. A moharost-rendszeren kívül – amely a legprominensebb opioid tartalmú pálya a hippocampusban – számos varikózus, opioid tartalmú rostot figyeltünk meg, amelyek mind principális, mind nem-principális sejtekkel alakítottak ki szinaptikus kapcsolatokat. Ezen rostok elsősorban pericelluláris kosár-szerű elrendeződésben vettek körül nem-principális (egér, patkány), ill. principális sejteket (egér, tengerimalac, aranyhörcsög). Az elektron-mikroszkópos vizsgálataink szerint az opioid immunpozitív rostok részben GABA tartalmúak és szimmetrikus szinaptikus kapcsolatot hoznak létre gátló interneuronok dendritjeivel és sejttesteivel, míg másik részükben nem mutatható ki a GABA és aszimmetrikus szinapszisokkal kapcsolódnak cél-profiljaikhoz. További kísérleteink során a κ-opioid receptor (KOR) tartalmú idegelemek megoszlását vizsgáltuk, és azt találtuk, hogy interneuronok sejttestjein és proximális dendritjein, ill. helyenként az ezeket körülvevő glianyúlványokban fordul elő ez a receptor altípus, elsősorban a gyrus dentatus hilusában valamint a CA1 régió oriens rétegében, a tengerimalac kivételével az összes vizsgált rágcsálóban. Ezen interneuronok morfológiai jellemzői, valamint elhelyezkedésük arra engedett következtetni, hogy ezen sejtek a somatostatin (SOM) vagy neuropeptide-Y (NPY) tartalmú interneuronok egy alcsoportja lehet. Kettős immunhisztokémiai jelölési technikákkal bebizonyítottuk, hogy a SOM ill. NPY tartalmú interneuronok nagy része expresszálják a κ-opioid receptort. Az opioid peptid tartalmú pályák szelektivitása és az opioid receptort expresszáló specifikus interneuron populációk jelenléte a hippocampusban alátámasztják azt a feltételezést, miszerint az opioidok alapvető mediátorai a hippocampalis szinaptikus plaszticitásnak. E hatásaikat a GABAerg interneuronok közvetítő szerepével, indirekt módon is kifejthetik a hippocampus normál és kóros aktivitásmintázatainak kialakításában.