Sex- and cell type-specific Nogo-A regulation of neuronal excitation in fear memory processes
Memory engrams are neural ensembles whose enduring structural remodeling and strengthened synaptic connectivity underlie the storage and recall of memories. The fear engram generated during aversive learning relies on both the plasticity of the neuronal network for its formation and the stability for persistence. Since the allocation of neurons to a specific engram depends on their excitability, molecules regulating the excitation / inhibition balance (E/I balance) in the brain are key players in engram formation. Nogo-A has been shown to influence the E/I balance, restrict activity-dependent functional and structural plasticity and modulate learning and memory formation. However, whether Nogo-A controls the memory engram formation is still unknown. In this thesis, behavioral experiments were combined with immunohistochemical analysis, genetic tools, Ca2+ imaging and electrophysiology to address this question. Moreover, the cell type-specific role of Nogo-A in memory engram formation was assessed by comparing conditional knockout (cKO) mice - missing Nogo-A either in parvalbumin (PV)-expressing interneurons or in excitatory neurons – with wildtype controls in an amygdala- and hippocampus-dependent contextual fear conditioning paradigm. Mice lacking Nogo-A in excitatory neurons exhibit an increased freezing time accompanied by a significantly higher number of cFOS expressing neurons in the basolateral amygdala (BLA). The effect on fear memory of deleting Nogo-A from excitatory neurons could only be observed in female mice, suggesting a sex- and cell type-specific effect of Nogo-A in this context. However, the improved spatial learning in the novel object location test was observed equally in both male and female Nogo-A cKO mice. Moreover, deletion of Nogo-A from excitatory neurons resulted in increased field excitatory postsynaptic potentials in female mice, indicating a higher neuronal excitability. Conversely, cKO mice lacking Nogo-A in PV-expressing interneuron showed the opposite effects in all of the above experimental paradigms, although with a small effect size. 2-Photon Ca2+-imaging experiments showed an increase in the synchrony of Ca2+-events under basal conditions in CA3 neurons in organotypic slice cultures lacking Nogo-A in excitatory neurons. Additionally, following chemical induction of long-term potentiation, the frequency as well as the amplitudes of Ca2+-events were found to be enhanced. Overall, Nogo-A signaling regulates fear memory processes in a sex- and cell type-specific manner as well as plasticity and excitability in the hippocampus.
Gedächtnisengramme sind neuronale Ensembles, deren dauerhafte strukturelle Umgestaltung und verstärkte synaptische Konnektivität die Grundlage für die Speicherung und den Abruf von Erinnerungen bilden. Das während des aversiven Lernens erzeugte Angst-Engramm ist sowohl für seine Entstehung als auch seine Beständigkeit auf die Plastizität und Stabilität des neuronalen Netzwerks angewiesen. Da die Erregbarkeit von Neuronen entscheidend für die Engrammzuordnung ist, spielen Moleküle, die das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung regulieren, eine Schlüsselrolle bei der Engrammbildung. Es wurde gezeigt, dass Nogo-A dieses Gleichgewicht beeinflusst, die funktionelle und strukturelle Plastizität einschränkt und die Gedächtnisbildung moduliert. Ob Nogo-A jedoch Gedächtnisengramme reguliert, ist noch unbekannt. Um diese Frage zu beantworten, wurden Verhaltensexperimente mit immunhistochemischen Analysen, genetischen Werkzeugen, Ca2+-Bildgebung und Elektrophysiologie kombiniert. Mithilfe konditionaler Knockout Mäuse (cKO) – denen Nogo-A entweder in Parvalbumin-exprimierenden Interneuronen oder in exzitatorischen Neuronen fehlt – wurde die zelltypspezifische Funktion von Nogo-A in einem amygdala- und hippocampusabhängigen kontextuellen Angstkonditionierungsparadigma untersucht. Mäuse, denen Nogo-A in exzitatorischen Neuronen fehlt, zeigen eine erhöhte Einfrierzeit, begleitet von einer signifikant höheren Anzahl von cFOS-exprimierenden Neuronen in der basolateralen Amygdala. Das verstärkte Angstgedächtnis konnte jedoch nur bei weiblichen Mäusen beobachtet werden, was auf eine geschlechts- und zelltypspezifische Wirkung von Nogo-A hindeutet. Räumliches Lernen verbesserte sich jedoch bei beiden Geschlechtern im Objekt-Lokalisierungstest. Darüber hinaus führte der Nogo-A cKO aus exzitatorischen Neuronen bei weiblichen Mäusen zu erhöhten exzitatorischen postsynaptischen Feldpotenzialen, was auf eine höhere neuronale Erregbarkeit hindeutet. Umgekehrt zeigten cKO-Mäuse ohne Nogo-A in PV-exprimierenden Interneuronen in allen oben genannten Experimenten die gegenteiligen Effekte, wenn auch mit geringerer Effektstärke. Ca2+-Imaging-Experimente zeigten eine Zunahme der Synchronität von Ca2+-Ereignissen unter basalen Bedingungen in CA3-Neuronen, denen Nogo-A in exzitatorischen Neuronen fehlte. Zusätzlich wurde nach chemischer Induktion einer Langzeitpotenzierung festgestellt, dass sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Ca2+-Ereignisse erhöht waren. Insgesamt reguliert der Nogo-A-Sig-nalweg die Angstgedächtnisprozesse in einer geschlechts- und zelltypspezifischen Weise und zusätzlich die Plastizität und Erregbarkeit im Hippocampus.
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