Mechanisms of high frequency oscillations recorded under ketamine-xylazine anesthesia - implications for the NMDA receptor hypofunction model of schizophrenia

Zaobserwowano, że część z objawów schizofrenii pokrywa się z zaburzeniami psychicznymi pojawiającymi się po anestezji ketaminowej lub po podaniu innych blokerów receptorów NMDA, takich jak fencyklidyna. Powiązanie tej zależności dało początek nowej hipotezie mechanizmu schizofrenii, związanej z działaniem receptorów glutaminergicznych. Wiele kolejnych badań przy użyciu ketaminy wykazało, że ma ona znaczący wpływ na funkcjonowanie układu nerwowego. Jednym z efektów działania ketaminy jest wywoływanie neuronalnych oscylacji wysokoczęstotliwościowych (HFO) o częstości powyżej 80 Hz. Głównym tematem moich badań jest wyjaśnienie mechanizmu generacji HFO w obszarach węchowych u zwierząt doświadczalnych. Dotychczasowe badania wykazały, że oscylacje te są szczególnie silne w opuszce węchowej w porównaniu do innych części mózgu gryzoni. Swoje badania rozpocząłem od pokazania, że HFO wywołane ketaminą mogą być z powodzeniem rejestrowane pod anestezją ketaminowo-ksylazynową (alternatywny model ketaminowy) i oprócz zmniejszonej częstości, wykazują wysokie podobieństwo do HFO w stanie czuwania gryzoni. Ponadto wykazałem, że HFO mogą być także zarejestrowane u kotów pod anestezją i są znacząco silne w rejonach opuszki węchowej. Równocześnie nie zaobserwowano obecności tych szybkich rytmów w obszarze wzgórza i kory wzrokowej kota. Wyniki te wskazują na szczególna rolę rejonów węchowych, więc dalsze badania skoncentrowałem na dokładnym poznaniu mechanizmu generacji HFO w opuszce węchowej szczura. Jednoczesne rejestracje z termopar w przegrodzie nosowej i elektrod umieszczonych w opuszce pokazały, że moc HFO jest modulowana przez lokalne wolne oscylacje oddechowe ($<$ 3 Hz). Rejestracje wielokanałowe elektrodami rozmieszczonymi na prawie całej brzuszno-grzbietowej osi opuszki węchowej oraz analizy rozkładu źródeł prądowych (CSD) wskazały na znaczący udział części warstwy komórek mitral/tufted, jednak jedynie tych położonych w brzusznej części opuszki. Jednoczesne rejestracje z przedniej części kory gruszkowatej (anterior piriform cortex) i opuszki pozwoliły na odkrycie nowego źródła generacji HFO o bipolarnym rozkładzie prądów. Wynik ten może wyjaśniać dlaczego HFO jest możliwe do zarejestrowania także w obszarach mózgu położonych niedaleko kory gruszkowatej. Badania prowadzone przy użyciu metod mikroinfuzji selektywnych blokerów receptorów GABA i AMPA, wskazały na szczególną rolę połączeń międzykomórkowych, zarówno hamujących jak i pobudzających, niezbędnych do synchronizacji komórek w rytmie HFO. Wynik ten wskazuję na lokalny mechanizm generacji, co potwierdziłem kolejnym badaniem, w którym pokazałem, że odcięcie głównych odśrodkowych połączeń z mózgu do opuszki nie wpływa na generację HFO wewnątrz opuszki. Na podstawie otrzymanych wyników wywnioskowałem, że HFO wywołane ketaminą są generowane przy udziale rytmów oddechowych i ich synchronizacja jest możliwa dzięki połączeniom dendrodendrytycznym wewnątrz opuszki węchowej. Badanie oscylacji HFO staje się coraz bardziej popularne w kontekście ich udziału w chorobach psychicznych, ale także ogólnie fizjologii mózgu. Wpływ ketaminy na oscylacje układu nerwowego był badany jako model psychozy, ale ostatnio także jako próba wyjaśnienia antydepresyjnego działania ketaminy. W mojej pracy zaproponowałem nową metodę badania HFO na mózgach ssaków w stanie anestezji. Wyniki moich badań tłumaczą podstawowy mechanizm generacji tych oscylacji wewnątrz opuszki węchowej. Dodatkowo proponuję nowy model do badania aktywności mózgu po podaniu ketaminy, który pozwala na prowadzenie rejestracji wewnątrzkomórkowych a także inne metody monitorowania pracy mózgu, które znacznej trudniej jest wykorzystać u zwierząt w stanie czuwania.

The observation that a group of psychomimetic drugs like phencyclidine or ketamine transiently induces symptoms of acute schizophrenia had led to a glutamatergic dysfunction hypothesis in pharmacological models of psychosis. Since then many studies have shown ketamine dependent local changes in brain functioning. One of them is emergence of the high frequency oscillations (HFO), neuronal cell population activity that synchronizes in a rhythm over 80 Hz. This research project focuses on investigating neuronal mechanism of HFO generation in olfactory areas, which seems to be one of the strongest sources of this fast rhythmic activity. First, I show that ketamine-xylazine (KX) anesthesia provides an alternative model to study electrophysiological changes in rodents evoked by NMDA receptor blockers like ketamine. My studies present that KX dependent fast oscillations in olfactory areas is not limited to rodents, but it also occurs in other mammal, in the cat olfactory bulb (OB). Negligible HFO power in the thalamus and visual cortex of the KX anesthetized cats confirms that the OB is a suitable site for detailed investigation and corroborates my further studies in rodents. Simultaneous local field potential (LFP) and thermocouple recordings demonstrate that HFO is dependent on nasal airflow and appears in bursts modulated by a slow (<3 Hz) local rhythm. Multielectrode studies spanning almost the entire dorsal-ventral axis of the OB and current source density (CSD) analysis revealed that HFO is stronger in ventral areas of the bulb and associated with dipole generator in the mitral/tufted cells layer. Simultaneous recordings from the OB and the anterior piriform cortex revealed another dipole-like source of the HFO. This may partially explain the presence of ketamine-dependent HFO in neighboring brain structures. Pharmacological microinfusion of selective GABA and AMPA antagonists in OB has shown that HFO bursts were dependent on excitatory-inhibitory synaptic activity, indicating local inhibitory interactions in OB are necessary for rhythm synchronization. Finally, I showed HFO was preserved in the OB despite surgical removal of the piriform cortex, which strongly indicates that the OB is an independent HFO generator. I conclude that ketamine-dependent HFO, in the OB are driven by nasal airflow and local dendrodendritic interactions. HFOs are receiving increased attention for their role in health and disease. Ketamine-dependent changes in oscillatory activity have been widely studied in the context of psychoses and more recently in treatmentresistant depression. My thesis proposes a new way to investigate HFO in mammalian brain under anesthesia. The findings shed light on the fundamental mechanisms underlying the generation of ketamine-dependent HFO in a novel context. Further, this thesis provides a framework for future studies to investigate ketamine rhythms using experimental techniques, such as intracellular recordings, usually inaccessible in awake states.