Short-Term Synaptic Plasticity of Hippocampal Neural Networks Under Experimentally Induced Blood–Brain Barrier Dysfunction

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Impaired synaptic plasticity is a hallmark of a number of neurological disorders successfully reproduced in animal models. Short-term forms of plasticity provide dynamic regulation of synaptic efficacy in response to various patterns of neuronal activity and largely depend on maintaining optimal conditions of the neuronal microenvironment, the key regulator of which is the blood-brain barrier (BBB). In recent years, the BBB has been considered an active participant in central nervous system homeostasis, and its dysfunction is recognized as a trigger for many neurological pathologies. We have developed an in vitro protocol that mimics the early consequences of BBB dysfunction by adapting the ionic composition of the incubation solution to blood plasma with the addition of thrombin. In the present study, we analyzed short-term synaptic plasticity in the hippocampal CA3-to-CA1 networks during the early phase following modeled BBB breakdown. Data obtained reveals significant alterations in short-term synaptic plasticity in the hippocampus under conditions of BBB dysfunction. We observed enhanced paired-pulse facilitation (PPF) at interstimulus intervals of 25 and 50 ms, suggesting a presynaptic locus for the changes in neurotransmitter release. Furthermore, a significant increase in the amplitude of post-tetanic potentiation (PTP) was recorded, indicating an increased reactivity of the CA3-to-CA1 neural networks. The selective enhancement of the early, activity-dependent phase of plasticity following high-frequency stimulation, in the absence of changes in the overall temporal dynamics, suggests a specific modulation of pattern-dependent short-term plasticity in BBB pathology. Induction of seizure-like activity of hippocampal neural networks has previously been demonstrated under identical conditions. Therefore, the present study characterizes specific alterations in synaptic properties due pathological condition formation that may ultimately lead to long-term consequences.

作者简介

A. Savotchenko

Azov State Pedagogical University

Email: asavotchenko@yandex.ru
Berdyansk, Russia

E. Chuyan

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Simferopol, Republic of Crimea, Russia

参考

  1. Zucker RS, Regehr WG (2002) Short-term synaptic plasticity. Ann Rev Physiol 64: 355–405. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.64.092501.114547
  2. Tsodyks MV, Markram H (1997) The neural code between neocortical pyramidal neurons depends on neurotransmitter release probability. Proc Natl Acad Sci U S A 94(2): 719–723. https://doi.org/10.1073/pnas.94.2.719
  3. Zucker RS (1989) Short-term synaptic plasticity. Annu Rev Neurosci 12: 13–31. https://doi.org/10.1146/annurev.ne.12.030189.000305
  4. Abbott LF, Regehr WG (2004) Synaptic computation. Nature 431(7010): 796–803. https://doi.org/10.1038/nature03010
  5. Davidson T, Stevenson R (2024) Vulnerability of the hippocampus to insults: links to blood–brain barrier dysfunction. Int J Mol Sci 25: 1991. https://doi.org/10.3390/ijms25041991
  6. Yong S, Yong M, Teoh S, Soga T, Parhar I, Chew J, Lim W (2021) The hippocampal vulnerability to herpes simplex virus type I infection: Relevance to Alzheimer's disease and memory impairment. Front Cell Neurosci 15: 695738. https://doi.org/10.3389/fncel.2021.695738
  7. Jing H, Yan N, Fan R, Li Z, Wang Q, Xu K, Hu X, Zhang L, Duan X (2023) Arsenic activates the NLRP3 inflammasome and disturbs the Th1/Th2/Th17/Treg balance in the hippocampus in mice. Biol Trace Elem Res 201(7): 3395–3403. https://doi.org/10.1007/s12011-022-03421-1
  8. Bumanglag A, Sloviter R (2008) Minimal latency to hippocampal epileptogenesis and clinical epilepsy after perforant pathway stimulation-induced status epilepticus in awake rats. J Comp Neurol 510(6): 561–580. https://doi.org/10.1002/cne.21801
  9. Зайцев АВ, Амахин ДВ, Дёмина АВ, Захарова МВ, Ергина ЮЛ, Постникова ТЮ, Диеспиров ГП, Магазаник ЛГ (2021) Синаптические дисфункции при эпилепсии. Рос физиол журн им. ИМ Сеченова 107(4–5): 492–517. [Zaitsev АV, Amakhin DV, Dyomina AV, Zakharova MV, Ergina JL, Postnikova TY, Diespirov GP, Magazanik LG (2021) Synaptic dysfunction in epilepsy. Russ J Physiol 107(4-5): 492–517. (In Russ)]. https://doi.org/10.31857/S0869813921040166
  10. Dahmen B, Puetz VB, Scharke W, von Polier GG, Herpertz-Dahlmann B, Konrad K (2018) Effects of early-life adversity on hippocampal structures and associated HPA axis functions. Dev Neurosci 40(1): 13–22. https://doi.org/10.1159/000484238
  11. Bremner JD, Hoffman M, Afzal N, Cheema FA, Novik O, Ashraf A, Brummer M, Nazeer A, Goldberg J, Vaccarino V (2021) The environment contributes more than genetics to smaller hippocampal volume in Posttraumatic Stress Disorder (PTSD). J Psychiatr Res 137: 579588. https://doi.org/10.1016/j.jpsychires.2020.10.042
  12. Li H, Zhao Z, Fassini A, Lee HK, Green RJ, Gomperts SN (2025) Impaired hippocampal circuit function underlying memory encoding and consolidation precede robust Aβ deposition in a mouse model of Alzheimer's disease. Sci Rep 15(1): 21957. https://doi.org/10.1038/s41598-025-05653-2
  13. Schmidt-Kastner R (2015) Genomic approach to selective vulnerability of the hippocampus in brain ischemia-hypoxia. Neuroscience 309: 259–279. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.08.034
  14. Hicks RR, Smith DH, Lowenstein DH, Saint Marie R, McIntosh TK (1993) Mild experimental brain injury in the rat induces cognitive deficits associated with regional neuronal loss in the hippocampus. J Neurotrauma 10(4): 405–414. https://doi.org/10.1089/neu.1993.10.405
  15. Nuthikattu S, Milenkovic D, Norman JE, Villablanca AC (2024) Single nuclei transcriptomics in diabetic mice reveals altered brain hippocampal endothelial cell function, permeability, and behavior. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis 1870(2): 166970. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2023.166970
  16. Liu R, Collier JM, Abdul-Rahman NH, Capuk O, Zhang Z, Begum G (2024) Dysregulation of ion channels and transporters and blood-brain barrier dysfunction in Alzheimer's disease and vascular dementia. Aging Dis 15(4): 1748–1770. https://doi.org/10.14336/AD.2023.1201
  17. Heinemann U, Kaufer D, Friedman A (2012) Blood-brain barrier dysfunction, TGFβ signaling, and astrocyte dysfunction in epilepsy. Glia 60(8): 1251–1257. https://doi.org/10.1002/glia.22311
  18. Seiffert E, Dreier JP, Ivens S, Bechmann I, Tomkins O, Heinemann U, Friedman A (2004) Lasting blood-brain barrier disruption induces epileptic focus in the rat somatosensory cortex. J Neurosci 24(36): 7829–7836. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1751-04.2004
  19. Löscher W, Friedman A (2020) Structural, molecular, and functional alterations of the blood-brain barrier during epileptogenesis and epilepsy: A cause, consequence, or both? Int J Mol Sci 21(2): 591. https://doi.org/10.3390/ijms21020591
  20. Savotchenko A, Klymenko M, Shypshyna M, Isaev D (2023) The role of thrombin in early-onset seizures. Front Cell Neurosci 17: 1101006. https://doi.org/10.3389/fncel.2023.1101006
  21. Papatheodoropoulos C (2018) Electrophysiological evidence for long-axis intrinsic diversification of the hippocampus. Front Biosci (Landmark Ed) 23(1): 109–145. https://doi.org/10.2741/4584
  22. Bolshakov AP, Rozov AV (2014) Mechanisms of facilitation and depression in CNS synapses: presynaptic and postsynaptic components. Neurochem J 8(4): 238–276. https://doi.org/10.1134/S1819712414040023
  23. Хазиев ЭФ, Балашова Д В, Ценцевицкий АН, Бухараева ЭА, Самигуллин ДВ (2019) Кальциевый транзиент и секреция медиатора в разных участках нервного окончания лягушки при изменении условий входа ионов кальция. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 105(10): 1262–1270. [Khaziev EF, Balashova DV, Tsentsevitsky AN, Bukharaeva EA, Samigullin DV (2019) Calcium transient and mediator release in different parts of the frog nerve endingon the change of conditions of calcium ions entry. Russ J Physiol 105(10): 1262–2170. (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S0869813919100030
  24. Axmacher N, Henseler ММ, Jensen O, Weinreich I, Elger ChE, Fell J (2010) Cross-frequency coupling supports multi-item working memory in the human hippocampus. PNAS 107(7): 3228–3233. https://doi.org/10.1073/pnas.0911531107
  25. Jackman SL, Regehr WG (2017) The mechanisms and functions of synaptic facilitation. Neuron 94(3): 447–464. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.02.047
  26. Turrigiano GG (2017) The dialectic of Hebb and homeostasis. Phil Trans R Soc 372: 20160258. http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2016.0258
  27. Rasmussen R, O'Donnell J, Ding F, Nedergaard M (2020) Interstitial ions: A key regulator of state-dependent neural activity? Prog Neurobiol 193: 101802. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2020.101802
  28. Rosenberg GA (1999) Ischemic brain edema. Prog Cardiovasc Dis 42(3): 209–216. https://doi.org/10.1016/s0033-0620(99)70003-4
  29. Ivens S, Kaufer D, Flores LP, Bechmann I, Zumsteg D, Tomkins O, Seiffert E, Heinemann U, Friedman A (2007) TGF-beta receptor-mediated albumin uptake into astrocytes is involved in neocortical epileptogenesis. Brain 130(Pt 2): 535–547. https://doi.org/10.1093/brain/awl317
  30. Coulter DA, Steinhäuser C (2015) Role of astrocytes in epilepsy. Cold Spring Harb Perspect Med 5(3): a022434. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a022434
  31. Ju F, Ran Y, Zhu L, Cheng X, Gao H, Xi X, Yang Z, Zhang S (2018) Increased BBB permeability enhances activation of microglia and exacerbates loss of dendritic spines after transient global cerebral ischemia. Front Cell Neurosci 12: 236. https://doi.org/10.3389/fncel.2018.00236
  32. Isaeva E, Hernan A, Isaev D, Holmes GL (2012) Thrombin facilitates seizures through activation of persistent sodium current. Ann Neurol 72(2): 192–198. https://doi.org/10.1002/ana.23587
  33. Swissa E, Monsonego U, Yang LT, Schori L, Kamintsky L, Mirloo S, Burger I, Uzzan S, Patel R, Sudmant PH, Prager O, Kaufer D, Friedman A (2024) Cortical plasticity is associated with blood-brain barrier modulation. Elife 12: RP89611. https://doi.org/10.7554/eLife.89611
  34. Lippmann K (2024) A reduction in the readily releasable vesicle pool impairs GABAergic inhibition in the hippocampus after blood-brain barrier dysfunction. Int J Mol Sci 25(13): 6862. https://doi.org/10.3390/ijms25136862
  35. Singh T, Mehra A, Batabyal T, Joshi S, Kapur J (2025) Thrombin mediates seizures following cortical injury-induced status epilepticus. Epilepsy Res 213: 107549. https://doi.org/10.1016/j.eplepsyres.2025.107549
  36. Suzuki M, Ogawa A, Sakurai Y, Nishino A, Venohara K, Mizoi K, Yoshimoto T (1992) Thrombin activity in cerebrospinal fluid after subarachnoid hemorrage. Stroke 23: 1181–1182. https://doi.org/10.1161/01.str.23.8.1181
  37. Sweeney MD, Zhao Z, Montagne A, Nelson AR, Zlokovic BV (2019) Blood-brain barrier: From physiology to disease and back. Physiol Rev 99(1): 21–78. https://doi.org/10.1152/physrev.00050.2017
  38. Van Vliet EA, Aronica E, Gorter JA (2015) Blood-brain barrier dysfunction, seizures and epilepsy. Semin Cell Dev Biol 38: 26–34. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2014.10.003
  39. Zheng ZH, Tu JL, Li XH, Hua Q, Liu WZ, Liu Y, Pan BX, Hu P, Zhang WH (2021) Neuroinflammation induces anxiety- and depressive-like behavior by modulating neuronal plasticity in the basolateral amygdala. Brain Behav Immun 91: 505–518. https://doi.org/10.1016/j.bbi.2020.11.007
  40. Maggio N, Itsekson Z, Dominissini D, Blatt I, Amariglio N, Rechavi G, Tanne D, Chapman J (2013) Thrombin regulation of synaptic plasticity: implications for physiology and pathology. Exp Neurol 247: 595–604. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2013.02.011
  41. Ben Shimon M, Lenz M, Ikenberg B, Becker D, Shavit Stein E, Chapman J, Tanne D, Pick CG, Blatt I, Neufeld M, Vlachos A, Maggio N (2015) Thrombin regulation of synaptic transmission and plasticity: implications for health and disease. Front Cell Neurosci 9: 151. https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00151

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».