Astroglial GABAB receptor deletion protects against γ-hydroxybutyric acid-induced absence seizures

Abstract

Absence seizures are non-convulsive epileptic events associated with brief loss of consciousness and arising from alterations in GABAergic and glutamatergic synaptic function maintaining the correct excitation-inhibition balance in the brain. Agonists of the metabotropic GABAB receptor (GABABR), including the endogenous metabolite γ-hydroxybutyric acid (GHB), induce or exacerbate absence seizures. Current understanding of the molecular mechanisms underlying absence seizure ictogenesis and propagation is predominantly focused on neuronal networks and so are existing pharmacological interventions. Nevertheless, to date the treatment of absence seizures is still ineffective in almost one-third of the cases. As active players in neural excitability and plasticity, astrocytes contribute to epileptic network priming and seizure activity. Hence, we investigated the contribution of astroglial GABABR and astroglial GABABR-mediated Ca2+ signalling in the pathological network function of GHB-induced absence seizures in a transgenic mouse model. We induced the astrocyte-specific GABABR deletion and expression of the Ca2+ indicator GCaMP3 and performed in vivo telemetric electroencephalography of freely moving animals, two-photon laser-scanning microscopy of cortical astroglial Ca2+ signalling and behavioural analysis of mouse activity upon GHB administration. Astroglial GABABR-deficient mice exhibit reduced seizure burden and experience a reduced and shorter increase in δ-band power upon GHB administration. Also, we found that astroglial GABABRs mediate astrocytic Ca2+ response upon GHB focal application as well as systemic administration in vivo. The loss of astroglial GABABRs protects against the emergence of hypersynchronous cortical Ca2+ waves upon GHB administration. Moreover, astroglial GABABR-deficient mice display significantly less behavioural arrests associated with GHB-induced absence seizures. In conclusion, these results show that, although not necessary for the occurrence of seizures per se, astroglial GABABRs contribute to the pathological phenotype associated with absence seizures and exacerbate seizure burden. Therefore, astroglial GABABRs and their downstream signalling represent a promising target for future research in epilepsy and possibly for novel pharmacological intervention of absence seizures.

Absence-Anfälle, auch Petit-mal Anfälle genannt, sind nicht-konvulsive epileptische Ereignisse, die mit paroxysmalem (anfallsartigem) Bewusstseinsverlust einhergehen und auf Veränderungen der GABA- und Glutamat-Wirkung an synaptischen Funktionen zur Aufrechterhaltung des richtigen Erregungs-Hemmungs-Gleichgewichts im Gehirn zurückzuführen sind. Agonisten des metabotropen GABAB-Rezeptors, wie z.B. die endogene Verbindung γ-Hydroxybuttersäure (GHB), lösen Absence-Anfälle aus oder verstärken sie. Das derzeitige Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Entstehung und Ausbreitung von Absence-Anfällen zugrunde liegen, konzentriert sich vorwiegend auf die Aktivität von Nervenzellen, welche aktuell Ziel der bestehenden pharmakologischen Interventionen sind. Dennoch ist die Behandlung von Absence-Anfällen in fast einem Drittel der Fälle unwirksam. Zur neuralen Erregbarkeit und Plastizität tragen Astrozyten zur Bahnung epileptischer Netzwerke und zur Anfallsaktivität bei. Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit die Rolle des astroglialen GABAB-Rezeptors und den durch diesen vermittelten intrazellulären Calcium-Anstieg bei der pathologischen Netzwerkfunktion von GHB-induzierten Absence-Anfällen in einem transgenen Mausmodell untersucht. Zur Analyse induzierten wir die Astrozyten-spezifische Deletion des GABAB-Rezeptors und die Expression des Calcium-Indikators GCaMP3. Wir untersuchten in vivo telemetrische Elektroenzephalographie frei beweglicher Tiere, Zwei-Photonen-Mikroskopie der kortikalen astroglialen Calcium-Signalgebung und Verhaltensanalyse der Tieraktivität nach GHB-Injektion durch. Astrogliale GABAB-Rezeptor-defiziente Tiere weisen eine geringere Anfallslast auf und zeigen einen geringeren und kürzeren Anstieg der δ-Band-Power bei GHB-Verabreichung. Außerdem fanden wir heraus, dass astrogliale GABAB-Rezeptoren die astrozytäre Calcium-Antwort sowie nach fokaler GHB-Verabreichung als auch in vivo nach systemischer Verabreichung vermitteln und ihr Verlust vor dem Auftreten hypersynchroner kortikaler Calcium-Wellen nach GHB-Verabreichung schützt. Darüber hinaus zeigen astrogliale GABAB-Rezeptor-defiziente Tiere deutlich weniger Verhaltensstörungen im Zusammenhang mit GHB-induzierten Absence-Anfällen. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass astrogliale GABAB-Rezeptoren, obwohl sie für das Auftreten von Anfällen nicht notwendig sind, zu einem pathologischen Phänotyp beitragen, der mit Abwesenheitsanfällen einhergeht, und die Anfallslast erschweren. Daher stellen astrogliale GABAB-Rezeptoren und ihre nachgeschalteten Signalwege ein vielversprechendes Ziel für die künftige Forschung auf dem Gebiet der Epilepsie und möglicherweise auch für pharmakologische Interventionen bei Absence-Anfällen dar.