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Die Rolle spezifischer neokortikaler Interneuronentypen bei der Interaktion Acetylcholins mit GABAergen Anästhetika

Intern(euron)al affairs

The role of specific neocortical interneuron classes in the interaction between acetylcholine and GABAergic anesthetics

  • Klinische Pharmakologie
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Zusammenfassung

Acetylcholin ist ein Neuromodulator, der in weiten Bereichen des Zentralnervensystems ausgeschüttet wird und eine wichtige Rolle bei Bewusstsein, Aufmerksamkeit und Lernen spielt. Aufgrund seiner „aktivierenden“ Wirkung auf neuronaler (EEG) und Verhaltensebene ist die Rolle dieses Neuromodulators in der Anästhesiologie seit jeher von Interesse. Auf der Basis vielfältiger Tier- und Humanstudien besteht weitestgehend Konsens, dass Anästhetika die Ausschüttung von Acetylcholin im Zentralnervensystem verringern und hierdurch einen Teil ihrer anästhetischen Wirkung entfalten.

Diese Erkenntnis steht jedoch in einem scheinbaren Widerspruch zu Befunden, wonach Acetylcholin bestimmte Klassen von Interneuronen erregt, also jene Komponenten im neuronalen Netzwerk verstärkt, die den hemmenden Neurotransmitter γ‑Aminobuttersäure (GABA) ausschütten und somit eine zentrale Rolle in der Vermittlung der Effekte zahlreicher Anästhetika spielen. Mit dem Schwerpunkt auf kortikalen Schaltkreisen werden in dieser Perspektive aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der zellulären Neurophysiologie erläutert, die ein Licht auf die Interaktion zwischen Acetylcholin und GABA werfen.

Abstract

Acetylcholine is a neuromodulator which is released throughout the central nervous system and plays an essential role in consciousness and cognitive processes including attention and learning. Due to its ‘activating’ effect on the neuronal and behavioral level its interaction with anesthetics has long been of interest to anesthesiologists. It is widely held that a reduction of the release of acetylcholine by general anesthetics constitutes part of the anesthetic effect. This notion is backed by numerous human and animal studies, but is also in seeming contradiction to findings that acetylcholine activates specific classes of inhibitory neurons: if acetylcholine excites elements within the neuronal network responsible for the release of the inhibitory neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA), its withdrawal should diminish, not enhance, the effect of anesthetics.

Focusing on cortical circuits, we present an overview of recent advances in cellular neurophysiology, particularly the interactions between inhibitory neuron classes, which provide insights on the interaction between acetylcholine and GABA.

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Danksagung

Die Abb. 4 wurde dem Abschlussbericht zum Forschungsprojekt BWM/SABX/BA001 entnommen, das durch das Bundesministerium für Verteidigung gefördert wurde (Empfänger: Prof. Dr. B. Antkowiak). Wir danken Prof. Dr. Bernd Antkowiak und Michael Krumbein für Diskussionen zum Thema und die kritische Durchsicht des Manuskripts sowie Claudia Holt und Ina Pappe für exzellente technische Unterstützung.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Sektion für Experimentelle Anästhesiologie, Abteilung für Anästhesiologie, Universitätsklinikum Tübingen, Waldhörnlestr. 22, Tübingen, 72072, Deutschland

    L. Liebig M. Sc.,  C. Grasshoff &  H. Hentschke

  2. Graduate Training Centre of Neural and Behavioural Sciences, International Max Planck Research School, Universität Tübingen, Tübingen, Deutschland

    L. Liebig M. Sc.

Authors
  1. L. Liebig M. Sc.
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  2. C. Grasshoff
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  3. H. Hentschke
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Corresponding author

Correspondence to H. Hentschke.

Ethics declarations

Interessenkonflikt

L. Liebig, C. Grasshoff und H. Hentschke geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Alle nationalen Richtlinien zur Haltung und zum Umgang mit Labortieren wurden eingehalten und die notwendigen Zustimmungen der zuständigen Behörden liegen vor.

Glossar

Pyramidenzellen

Neurone mit elongierten Dendriten und angenähert pyramidenförmigem Soma, die den erregenden Neurotransmitter Glutamat ausschütten. Pyramidenzellen sind häufig Projektionsneurone, die über langreichweitige Axone Informationen an andere kortikale sowie extrakortikale Gehirnareale weiterleiten.

Interneurone

Neurone, die den inhibitorischen Neurotransmitter γ‑Aminobuttersäure (GABA) ausschütten. Im Gegensatz zu Pyramidenzellen projizieren Interneurone fast ausschließlich lokal. Sie lassen sich anhand u. a. elektrophysiologischer, biochemischer und morphologischer Charakteristika in eine Vielzahl an Untergruppen unterteilen (eine begrenzte Auswahl s. Tab. 1).

Fast-spiking

Fast-spiking Neurone (meist Interneurone) sind in der Lage, bei konstanter intrazellulärer Strominjektion Aktionspotenziale mit Raten von >100 Hz zu emittieren. Die Muster von Aktionspotenzialen, die Neurone bei Strominjektion emittieren, sind ein Kriterium zur Klassifizierung. Andere übliche Feuermuster sind z. B. „adapting“, „irregular“, „intrinsically bursting“.

Parvalbumin (PV)

Kalziumbindendes Protein, das in spezifischen Interneuronenklassen exprimiert wird und daher als wichtiger Marker für die Klassifizierung von Interneuronen verwendet wird. Die meisten PV-positiven Neurone sind fast-spiking. Andere, weithin verwendete Marker zur Klassifizierung sind z. B. Somatostatin (SOM), Cholecystokinin (CCK) und vasointestinales Polypeptid (VIP) (allesamt Peptidhormone).

Korbzellen (basket cells)

Interneuronen, die synaptische Kontakte überwiegend auf den Somata von Pyramidenzellen herstellen. Morphologie und synaptische Projektionsmuster sind ein weiteres wichtiges Merkmal zur Unterteilung von Interneuronen in Klassen. Korbzellen exprimieren entweder PV oder CCK.

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Liebig, L., Grasshoff, C. & Hentschke, H. Intern(euron)al affairs. Anaesthesist 65, 609–614 (2016). https://doi.org/10.1007/s00101-016-0197-9

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