The role of axonal sprouting for inhibitory transmission in the inferior colliculus after cochlear ablation

Abstract

Introduction: Cochlear injury alters the pattern of neuronal activity and neurotransmission in central auditory pathway. Inferior colliculus (IC) plays a significant role in converging auditory input and then projecting it to the auditory cortex. The integration of auditory and somatosensory input also takes place in IC. I assumed that the neuroplastic change after the degeneration of cochlear nucleus contributes to the change of neurotransmission in IC, and Axonal sprouting is a major mechanism of neuroplasticity and losartan inhibits axonal sprouting by blocking TGF-β signaling, which is the primary pathway of axonal sprouting. This study aims to evaluate the change of neuronal transmission and the effect of axonal sprouting using losartan in IC after cochlear ablation. Methods: The study was performed at one week and two weeks after cochlear ablation. Rats were randomly divided into two groups at one week; control group and deaf group, and into three groups at two weeks; control group, deaf group, and losartan group. The right IC was harvested after surgery in all groups. Losartan was injected intraperitoneally for two weeks in losartan group. Western blotting was performed for GAP43, Synaptophysin, PDS95, pSmad2/pSmad3, NR2A, Calb, GABAA1, GAD67, GAP43, ATRX, GDF10, Lingo1, and IGF1. Results: ABR thresholds ranged from 20 to 35 dB sound pressure level (SPL) before surgery and became higher than 80 dB SPL after cochlear ablation. The proteins showed significant difference among control group, deaf group and losartan group at two weeks; GAP43, pSmad2, and pSmad3 were higher in deaf group than control group (p=0.004, p=0.007 and p=0.015), and decreased in losartan group than deaf group (p=0.006, p=0.003 and p=0.002). GABAAα1 and GAD-67 were lower in deaf group than control (p=0.003 and p=0.003), and were less decreased in losartan group than deaf group (p=0.010 and p=0.015). When comparing the proteins between control group and deaf group at one week, GAD-67 was decreased and IGF-1 was increased in deaf group (p=0.046 and p=0.046). Looking at the time-dependent changes in deaf groups, GAP43 and GDF10 showed a increase (p=0.037 and p=0.011), and synaptophysin and GABAAα1 showed a decrease (p=0.045 and p=0.037) at two weeks. Conclusion: Axonal sprouting might occur in IC in response to cochlear ablation and have a more significant effect on inhibitory transmission than excitatory transmission. I concluded that axonal sprouting might enhance the reduction of inhibitory transmission of auditory neuron after cochlear injury, considering inhibitory transmission was increased when losartan blocked axonal sprouting.

서론: 중뇌의 하구(inferior colliuculus)는 대부분의 청각 정보를 수렴하고 청각 피질에 투사하는 데 중요한 역할을 한다. 여러 문헌에서 청력상실 이후에 하구의 신경 세포 활동 및 신경 전달의 패턴이 변화되었다고 보고되었다. 청력 상실로 인해 입력되는 청각 반응의 감소는 하구에서 과흥분성을 유도하며, 이는 억제성 회로의 감소와 시냅스 생성을 유도한다. 우리는 transforming growth factor-β (TGF-β) 신호 전달에 의해 촉진되는 축삭 발아(axonal sprouting)는 난청 후 발생하는 하구에서의 흥분과 억제의 불균형을 보상하기 위해 증가한 시냅스의 생성을 반영한다고 추정했다. 이 연구의 목적은 첫째, 난청 이후에 하구에서 흥분 및 억제 관련 단백질의 변화를 평가하고 둘째, 난청 이후 하구에서 축삭 발아가 일어나는지 및 축삭 발아가 흥분성 및 억제성 신경전달에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 방법: 본 연구는 시간 경과에 따른 하구에서의 신경세포의 활동 변화를 평가하기 위해 실험쥐에서 좌측 달팽이관 제거술(cochlear ablation)을 시행 이후 각각 1주째와 2주째 우측 하구를 채취하였다. losartan은 좌측 달팽이관 제거술 이후 2주동안 복강 내로 주사 되었다. 실험쥐는 모의수술(sham operation)을 받은 control군, 좌측 달팽이관 제거술을 시행받은 deaf 그룹, 좌측 달팽이관 제거술 시행 이후 2주간 losartan을 투여받은 losartan 그룹으로 무작위 배정되었다. 수술 후 1주째에는 Control군과 Deaf군으로 무작위 배정되었고, 수술 후 2주째에는 Control군, Deaf군 과 Losartan 그룹으로 무작위 배정되었다. 청력은 청성뇌간반응(auditory brainstem response)를 이용하여 측정되었다. 웨스턴블롯법(Western blot)을 이용하여 축삭 발아완 관련된 GAP43, Synaptophysin, PDS95, ATRX, GDF10, Lingo1, IGF1, pSmad2와 pSmad3, 신경의 흥분성을 반영하는 NR2A, Calb, 억제성을 반영하는 GaBAAα1, GAD67 단백질의 정량적 평가를 시행하였다. 결과: 수술 전 청성뇌간반응 역치는 20~35dB(SPL)이었으며, 달팽이관 절제술 이후에는 80dB 이상으로 측정되었다. 수술 이후 2주째에 control 그룹, deaf group, losartan 그룹의 단백질량 변화는 유의한 차이를 보였다. GAP43, p-Smad2, p-Smad3은 control 그룹보다 deaf 그룹에서 유의하게 증가하였으며 (p=0.004, p=0.007, p=0.015), deaf group보다 losartan 그룹에서 유의하게 감소하였다. (p=0.006, p=0.003, p=0.002). GaBAAα1과 GAD-67은 control 그룹보다 deaf 그룹에서 낮았으며(p=0.003, p=0.003), deaf그룹보다 losartan그룹에서 덜 감소하였다. (p=0.010, p=0.015). 수술 이후 1주째 각 그룹간 단백질량의 변화를 비교하였 때, control 그룹보다 deaf 그룹에서 GAD-67은 감소하였으며 IGF-1은 증가하였다. (p=0.046, p=0.046). 시간 경과에 따른 deaf group간 단백질량의 변화를 비교하였을 때, GAP43과 GDF10은 좌측 달팽이관제거술 이후 1주째보다 2주째에 유의하게 감소하였다. (p=0.045, p=0.037) 결론: 난청 이후 하구에서 축삭 발아가 일어나며 이는 흥분성 신경 전파보다 억제성 신경전파에 더 효과적으로 작용한다. Losartan을 이용한 축삭 발아 억제시, 억제성 신경전파가 증가함을 확인하였다. 따라서 축삭 발아는 난청 이후 억제성 신경전파의 감소를 촉진시키는 역할을 할 것임을 알 수 있다.