Memory consolidation and retrieval regulated by GABAA receptor = GABAA 수용체 조절에 의한 기억의 강화 및 도출에의 영향에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

GABAA receptor modulates memory acquisition, consolidation, and retrieval. The aim of this study is to confirm the effect of GABAA drugs and to identify the mechanism of these effects of GABAA drugs on memory consolidation and retrieval.
First, we clarified the contribution of hippocampal mature brain-derived neurotrophic factor (mBDNF) level at restricted time point induced by GABAA receptor blockade on the enhancement of memory consolidation. With the administration of acquisition trial in na?ve mice using the passive avoidance task, the mBDNF levels were temporally changed in the hippocampal CA1 region and the lowest levels were observed 9 h after acquisition trial. Bicuculline significantly increased latency time in the one-trial passive avoidance task until 1 h post-training administration. Concomitantly, mBDNF level was significantly increased 9 h after bicuculline administration in na?ve mice. Although mBDNF level was increased 12 h after acquisition trial with 3 h post-training administration of bicuculline, facilitation of memory consolidation did not exhibited. This means that the increase of mBDNF level at restricted time after GABAA receptor blockade is required for the enhancement of memory consolidation. In addition, exogenous BDNF administration into hippocampal CA1 region and anisomycin-induced inhibition of protein synthesis confirmed that the increase of mBDNF level around 9 h after acquisition trial with GABAA receptor blockade plays a key role in the enhancement of memory consolidation.
Second, to test the effects of modulation of GABAA receptor on memory retrieval and the co-involvements of signaling molecules, such as, ERK, CaMKII, and CREB in the hippocampus, we conducted one-trial passive avoidance and novel object recognition tasks with pre-retention trial drug administration. In a pilot study, we observed that ERK phosphorylation was required for memory retrieval during the task. Accordingly, to investigate whether GABAA receptor activation or inhibition induces ERK phosphorylation during memory retrieval, GABAA receptor targeting drugs were treated 15 min prior to retention trial of passive avoidance task and test session of novel object recognition task. Diazepam and muscimol, GABAA receptor agonists, blocked retrieval-induced ERK phosphorylation, and also impaired memory retrieval. Furthermore, co-treatment with sub-effective doses of muscimol and U0126 (a MEK inhibitor), or diazepam and U0126 blocked upregulation of pERK expression by the retrieval and impaired memory retrieval. In addition, bicuculline (a GABAA receptor antagonist) increased the ERK phosphorylation induced by memory retrieval and facilitated memory retrieval. Moreover, these effects of bicuculline were blocked when it was co-treated with subeffective dose of U0126. Taken together, this study suggests that GABAA receptor-induced memory retrieval is closely related with hippocampal ERK phosphorylation.

국문 초록 (Abstract)

GABAA 수용체의 조절은 기억의 습득, 강화 및 도출을 조절한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 이런 GABAA 수용체의 기억의 각 단계에 대한 조절 작용에 대한 기전을 밝히고자 한다.
기억의 강화에 있어서 BDNF(brain-derived neurotrophic factor)의 발현은 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서는 학습 훈련 후 9시간대에 BDNF의 합성은 일어나지 않으나 이 시간대에 mBDNF(mature BDNF)의 발현을 증가시키면 기억의 강화를 증진시킬 수 있다는 사살을 확인하고 GABAA 수용체의 길항제인 bicuculline이 학습 후 9시간대에 mBDNF를 증가시키는 기전을 통해 기억의 강화를 증진 시킨다는 사실을 확인하였다. 이는 bicuculline을 학습 후 1시간 이내에 투여하였을 경우에는 기억의 강화를 증진시키나 3시간 이후에 투여하였을 경우에는 아무런 영향이 없는 실험 결과와 일치하는 결과이다.
다음으로 기억의 도출단계에 대한 GABAA 수용체의 조절 작용에 대하여 알아보았다. 본 연구에서는 수동회피시험의 기억 도출 과정 이후 ERK(extracellular signal-regulated kinase), CaMKII(Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II), 및 CREB(cAMP responsive element binding protein)의 활성화가 나타난다는 사실을 확인하고 기억의 도출 직전 이들 신호의 억제를 통해 ERK의 활성화가 기억의 도출에 핵심적인 역할을 한다는 사실을 확인하였다. 이에 GABAA 수용체의 효능제 및 길항제가 기억의 도출 과정에서 ERK의 활성화에 미치는 영향을 확인해본 결과 효능제는 억제효과를 길항제는 증진효과를 나타내었다. 또한 수동회피시험에서의 도출과정에 있어서 효능제는 기억의 감퇴효과를 길항제는 기억의 증진효과를 나타내었다. 따라서 GABAA 수용체는 기억의 도출과정에서 나타나는 ERK의 화성화를 조절함으로써 기억의 도출을 조절한다는 사실을 알 수 있었다.
이상의 결과로 GABAA 수용체는 기억의 강화 과정 및 도출과정을 조절하는데 이는 특정 시간대의 BDNF의 발현 및 ERK의 활성화를 조절하기 때문이라는 결론을 도출할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• Part I. 1
• 1. Introduction 2
• 2. Materials and Methods 4
• 2.1. Animals 4
• 2.2. Materials 4
• 2.3. Microinfusion of drugs 4
• 2.4. Passive avoidance task 5
• 2.5. Brain section preparation 6
• 2.6. Cresyl violet staining 6
• 2.8. Western blot Analysis 6
• 2.9. Experiment 1 7
• 2.10. Experiment 2 8
• 2.11. Experiment 3 8
• 2.12. Statistics 9
• 3. Results 9
• 3.1. Experiment 1: Bicuculline and memory consolidation in the passive avoidance task 9
• 3.2. Experiment 2: Bicuculline and mBDNF level 12
• 3.3. Experiment 3: Exogenously administered BDNF and memory consolidation 25
• 4. Discussion 27
• References 32
• Part II. 35
• 1. Introduction 36
• 2. Materials and Methods 37
• 2.1. Animals 37
• 2.2. Materials 38
• 2.3. Passive avoidance task 38
• 2.4. Immunohistochemistry 39
• 2.5. Western blot Analysis 40
• 2.6. Statistics 41
• 3. Results 41
• 3.1. Memory retrieval required ERK phosphorylation 41
• 3.2. GABAA receptor agonists impaired memory retrieval by inhibiting ERK phosphorylation 45
• 3.3. Bicuculline enhanced memory retrieval via ERK phosphorylation 50
• 4. Discussion 55
• References 60
• 국문 초록 65
• 감사의 글 67