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1  Einleitung

1.1 Epilepsien und Status epilepticus

Die Epilepsien sind Krankheiten, von denen weltweit 0,4 bis 1 Prozent der Bevölkerung betroffen sind (Sander, 2003). Sie zeichnen sich durch das wiederholte unprovozierte Auftreten partialer oder generalisierter Anfälle aus. Partiale oder fokale Anfälle entstehen durch spontane synchrone Entladungen in einem Verband von Neuronen, der epileptischer Fokus genannt wird. Die anatomische Lokalisation des Fokus innerhalb der Hirnrinde bestimmt das klinische Erscheinungsbild des Anfalls. Bei generalisierten Anfällen, die primär entstehen oder sich sekundär aus einem fokalen Anfall entwickeln können, erstreckt sich die synchronisierte Aktivität über beide Hemisphären.

Ein Status epilepticus stellt die schwerste Ausprägungsform eines epileptischen Anfalls dar. Grundsätzlich kann jeder Anfallstyp in Form eines Status epilepticus auftreten. Nach einer Definition der Internationalen Liga gegen Epilepsie (ILAE) liegt ein Status epilepticus vor, wenn „ein Anfall ausreichend lange anhält oder sich so häufig wiederholt, dass zwischen den einzelnen Anfällen das Bewusstsein nicht wiedererlangt wird“ (Commission on Classification and Terminology of the International League Against Epilepsy, 1981). Im Gegensatz zum „normalen“ epileptischen Anfall versagen beim Status epilepticus Mechanismen, die dazu führen, dass die epileptische Aktivität nach einer begrenzten Zeitspanne spontan sistiert. Welche Mechanismen zu dieser verlängerten synchronen Entladung von Neuronenverbänden führen, ist nicht genau bekannt (Lowenstein und Alldredge, 1998; Coulter und DeLorenzo, 1999). Die offizielle Definition der ILAE enthält keine exakte Angabe bezüglich der Dauer, ab deren Überschreiten ein Anfall als Status epilepticus gilt. In ihren 1993 veröffentlichten Richtlinien zur Durchführung epidemiologischer Studien schlägt die ILAE eine Dauer der Anfallsaktivität von mindestens 30 Minuten als Grundlage der Definition des Status epilepticus vor (Commission on Epidemiology and Prognosis, 1993). Tatsächlich wird diese Zeitspanne in den meisten neueren klinischen Studien der Definition eines Status epilepticus zugrunde gelegt (Shepherd, 1994; Coeytaux et al., 2000; Knake et al., [Seite 9↓]2001). Einige Autoren plädieren jedoch dafür, dass im Falle einer generalisiert-konvulsiven Anfallsaktivität schon nach einer Dauer von fünf Minuten von einem Status epilepticus gesprochen werden sollte (Lowenstein et al., 1999; Meldrum, 1999). Diese Forderung beruht auf der klinischen Beobachtung, dass generalisierte tonisch-klonische Anfälle nach Überschreiten einer Dauer von wenigen Minuten mit großer Wahrscheinlichkeit nicht mehr spontan sistieren (Theodore et al., 1994; Shinnar et al., 2001).

In den letzten Jahren wurden in den USA und in Europa mehrere epidemiologische Studien zur Bestimmung der Häufigkeit des Status epilepticus durchgeführt. Die Inzidenz bezogen auf die Gesamtbevölkerung betrug zwischen 9,9 und 18,3 Fälle pro 100.000 Einwohner (Hesdorffer et al., 1998a; Coeytaux et al., 2000; Knake et al., 2001; Vignatelli et al., 2003). Eine deutlich höhere Inzidenz von 41 pro 100.000 Einwohner in Richmond, USA, ist auf den hohen afroamerikanischen Bevölkerungsanteil zurückzuführen, da in dieser Bevölkerungsgruppe die Inzidenz in allen Altersklassen deutlich höher liegt als in der kaukasischen Bevölkerung (DeLorenzo et al., 1995). Geht man davon aus, dass die im Jahre 2001 im Großraum Marburg/Hessen ermittelte Inzidenz von 15,8 pro 100.000 Einwohner (Knake et al., 2001) für Deutschland repräsentativ ist, so ergibt sich, dass ungefähr 14.000 Menschen jährlich in Deutschland einen Status epilepticus erleiden. Damit ist der Status epilepticus einer der häufigsten Notfälle des neurologischen Fachgebietes. Bezüglich der Geschlechterverteilung des Status epilepticus ergab sich in allen genannten Studien mit Ausnahme der italienischen (Vignatelli et al., 2003) eine höhere Inzidenz für Männer als für Frauen. Die am häufigsten vom Status epilepticus betroffenen Altersgruppen sind in allen genannten Studien Kinder bis zum Alter von einem Jahr und Erwachsene ab dem 60. Lebensjahr. Somit ergibt sich für die Altersverteilung des Status epilepticus eine ähnliche zweigipflige Kurve wie für die Epilepsien im Allgemeinen, jedoch mit deutlicher ausgeprägten Maxima und Minima in den häufig bzw. selten betroffenen Altersgruppen (Hesdorffer et al., 1998a). In den meisten Fällen (34-63 Prozent) tritt ein Status epilepticus im Zusammenhang mit akuten Erkrankungen des Zentralnervensystems auf, wie zum Beispiel in Begleitung eines Schlaganfall oder anderer zerebrovaskulärer Störungen, Infektionen des Gehirns oder der Meningen, systemischer metabolischer [Seite 10↓]Entgleisungen, Tumoren oder Traumata des Gehirns (Hesdorffer et al., 1998a; Coeytaux et al., 2000; Knake et al., 2001; Vignatelli et al., 2003). Auch zeitlich weiter zurückliegende ZNS-Erkrankungen werden ursächlich mit einem Status epilepticus in Verbindung gebracht („remote symptomatic“). Bei Patienten mit einer vorbestehenden Epilepsie tritt ein Status epilepticus meist aufgrund abgesunkener Antiepileptikaspiegel infolge mangelnder Compliance auf. In den genannten Studien liegt der Anteil von Patienten mit einer vorbestehenden Epilepsie mit relativ guter Übereinstimmung bei 39 bis 46 Prozent. In 7 bis 33 Prozent der Fälle tritt ein Status epilepticus ohne erkennbare Ursache oder zugrunde liegende Grunderkrankung auf („idiopathic/cryptogenic“) (Hesdorffer et al., 1998a; Coeytaux et al., 2000; Knake et al., 2001; Vignatelli et al., 2003).

Der Status epilepticus ist mit einer hohen Rate akuter und chronischer Komplikationen assoziiert. Der Anteil von Patienten, die innerhalb von 30 Tagen nach Status epilepticus versterben, liegt in den verschiedenen Studien durchschnittlich bei 9 bis 39 Prozent (DeLorenzo et al., 1995; Sagduyu et al., 1998; Knake et al., 2001; Logroscino et al., 2002;Claassen et al., 2002; Vignatelli et al., 2003; Wu et al., 2002; Mayer et al., 2002; Shneker und Fountain, 2003). Die Letalität ist dabei in hohem Maße vom Alter des Patienten und der Ätiologie des Status epilepticus abhängig: Patienten über 65 Jahre versterben signifikant häufiger als jüngere Erwachsene oder Kinder, nach einem akut symptomatischen Status epilepticus ist die Letalität signifikant höher als nach einem idiopathischen Status epilepticus (DeLorenzo et al., 1995; Claassen et al., 2002). Eine erhöhte Dauer des Status epilepticus erwies sich in einigen Studien ebenfalls als Prädiktor einer erhöhten Sterblichkeit (Towne et al., 1994; Sagduyu et al., 1998). Unter Patienten, die die ersten 30 Tage nach Status epilepticus überlebt haben, bleibt die Sterblichkeitsrate im Vergleich zur Gesamtbevölkerung gleichen Alters weiterhin erhöht (Logroscino et al., 2002). Als Folgen eines Status epilepticus werden kognitive und mnestische, sowie sensible und motorische Defizite angegeben (Aicardi und Chevrie, 1970; Dodrill und Wilensky, 1990; Krumholz et al., 1995; Claassen et al., 2002). Es ist unklar, ob ein Status epilepticus beim Menschen zur Entwicklung einer chronischen Epilepsie führt. Für hirnschädigende Ereignisse wie Schädel-Hirn-Trauma oder Schlaganfall gilt, dass sie sowohl akut als auch mit einigem zeit[Seite 11↓]lichen Abstand zur Entstehung von Anfällen führen können (Herman, 2002). Akut symptomatische Anfälle treten bis zu sieben Tage nach dem Ereignis auf und werden als Epiphänomen bzw. als Ausdruck der Schwere der zugrunde liegenden Schädigung angesehen, ihr Auftreten erlaubt jedoch keine Aussagen über die Prognose (Lee et al., 1995; Labovitz et al., 2001). Späte symptomatische Anfälle treten nach einer Latenzperiode von Wochen, Monaten oder sogar Jahren nach dem hirnschädigenden Ereignis auf und werden als Ergebnis eines epileptogenen Prozesses verstanden (Annegers et al., 1996). In verschiedenen Studien wurde gezeigt, dass Patienten auch nach einem Status epilepticus mit einer gewissen Verzögerung eine chronische Epilepsie entwickeln. In einer pädiatrischen Studie traten bei 37 von 125 Kindern, die vorher noch nie einen epileptischen Anfall gehabt hatten, im Verlauf eines Jahres nach Status epilepticus spontane Anfälle auf (Maytal et al., 1989). Im Rahmen der englischen Child Health and Education Study, einer prospektiven Kohortenstudie, wurden fast 15.000 innerhalb einer Woche geborene Kinder im Abstand von mehreren Jahren klinisch und psychologisch untersucht. Es zeigte sich, dass von 19 Kindern, die im Laufe der Beobachtungsperiode einen Status epilepticus erlitten, 14 in der Folge eine chronische Epilepsie entwickelten (Verity et al., 1993). In einer retrospektiven Kohortenstudie an erwachsenen Patienten betrug das Risiko für das Auftreten unprovozierter Anfälle in den folgenden zehn Jahren nach einem einzelnen Anfall 13 Prozent, nach einem Status epilepticus hingegen 41 Prozent (Hesdorffer et al., 1998b). Allen Untersuchungen zur Entwicklung einer Epilepsie in der Folge eines Status epilepticus beim Menschen ist jedoch die methodische Schwierigkeit gemein, dass nicht unterschieden werden kann, ob die Epilepsie Folge des Status epilepticus ist, oder ob der Status epilepticus und die nachfolgende Epilepsie Symptome derselben Grunderkrankung sind. So berichtet zum Beispiel Janz, dass ein Status epilepticus bevorzugt dann als Erstmanifestation einer Epilepsie auftritt, wenn neoplastische oder vaskuläre Veränderungen vorliegen (Janz, 1983).

1.1.1 Versuchstiermodelle

Im Gegensatz zu der unklaren Situation beim Menschen wurde im Tiermodell vielfach gezeigt, dass ein Status epilepticus in den meisten Fällen zur Entwicklung einer chronischen Epilepsie führt. Für die experimentelle Auslösung eines Status [Seite 12↓]epilepticus existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten, die Applikation einer konvulsiv wirkenden chemischen Substanz und die elektrische Stimulation limbischer Strukturen. Die Versuche können an verschiedenen Tierspezies, unter anderem an Mäusen, Katzen und Affen durchgeführt werden, meistens werden jedoch Ratten verwendet. Die Literaturangaben im weiteren Verlauf dieses Kapitels beziehen sich daher alle auf diese Tierart.

Die heute am häufigsten verwendeten Chemokonvulsiva sind Pilocarpin und Kainat, die überwiegend systemisch, aber auch intrahippocampal oder intraventrikulär injiziert werden, woraufhin sich bei den meisten Tieren ein Status epilepticus entwickelt. Die Rate der Tiere, die nach der Applikation des Chemokonvulsivums einen Status epilepticus entwickeln, beträgt für Pilocarpin 40 bis 100 Prozent (Turski et al., 1983; Clifford et al., 1987; Covolan und Mello, 2000), für Kainat 70 bis 100 Prozent (Butcher et al., 1988; Covolan und Mello, 2000). Hierbei wirkt Kainat über eine Bindung an einen Subtyp des ionotropen exzitatorischen Glutamatrezeptors, den Kainatrezeptor, vor allem in der CA3-Region des Hippocampus prokonvulsiv (Monaghan und Cotman, 1982; Ben Ari und Cossart, 2000). Pilocarpin übt primär eine agonistische Wirkung an Acetylcholinrezeptoren vom muskarinergen Typ aus (Turski et al., 1983b), die prokonvulsive Wirkung wird jedoch letztendlich durch eine sekundäre Glutamatfreisetzung erzielt (Savolainen et al., 1994). Erste Versuche mit Kainat zur Induktion eines Status epilepticus wurden von Ben Ari Ende der siebziger Jahre zunächst mittels intraamygdaloidaler, später auch mittels systemischer Applikation der Substanz durchgeführt (Ben Ari und Lagowska, 1978; Ben Ari et al., 1979; Tremblay und Ben Ari, 1984). Frühe Untersuchungen zum Pilocarpin-induzierten Status epilepticus und seiner Folgen stammen von Turski aus den frühen achtziger Jahren (Turski et al., 1983a; Turski et al., 1985). Andere, seltener verwendete Chemokonvulsiva sind u.a. Picrotoxin, Bicucullin und Penicillin (Cole et al., 2002).

Zur experimentellen Induktion eines Status epilepticus durch elektrische Stimulation werden in der Literatur verschiedene methodische Varianten beschrieben. Neben Unterschieden in den gewählten Reizparametern wie der Reizintensität und der kontinuierlichen oder intervallartigen Reizapplikation betreffen Variationen da[Seite 13↓]bei die Lokalisation der Reizelektrode und die Dauer der Stimulation. Zudem kann die Stimulation im wachen oder narkotisierten Tier durchgeführt werden. Zu den ersten Versuchen mit der Methode der elektrischen Stimulation zählen die Untersuchungen von McIntyre et al., die Ratten nach vorangegangenem Kindling einer kontinuierlichen einstündigen Stimulation der Amygdala unterzogen, wodurch in der Mehrzahl der Tiere ein selbsterhaltender Status epilepticus ausgelöst wurde (McIntyre et al., 1982). Unter Kindling versteht man die dauerhafte Senkung der Schwelle für die Auslösung epileptischer Aktivität durch wiederholte Applikation einzelner elektrischer Stimuli (McIntyre et al., 2002). Milgram et al. und Vicedomini und Nadler konnten durch hippocampale Stimulation naiver Tiere zeigen, dass die Induktion eines selbsterhaltenden Status epilepticus auch ohne vorangehendes Kindling möglich ist (Milgram et al., 1985; Vicedomini und Nadler, 1987). In allen drei Studien wurde der Status epilepticus an wachen Tieren ausgelöst. Daneben wurde von Sloviter eine Methode der kontinuierlichen Stimulation des Tractus perforans, der Hauptafferenz zur hippocampalen Formation, an narkotisierten Tieren etabliert (Sloviter und Damiano, 1981). Unter der 24-stündigen, intervallartigen Stimulation kommt es zu anhaltender elektrographisch erfassbarer epileptischer Aktivität auf neuronaler Ebene, klinisch sichtbare motorische Konvulsionen werden jedoch durch das zur Narkotisierung verwendete Urethan unterdrückt (Sloviter, 1983). Demnach ist die von Sloviter entwickelte Methode im engeren Sinne kein experimentelles Modell für den Status epilepticus, aber dennoch ein gutes Modell für das Studium eines sekundären epileptogenen Prozesses. In neueren Untersuchungen, wie auch in der vorliegenden Arbeit, wird überwiegend mit der Methode der elektrischen Stimulation an wachen, frei beweglichen Tieren gearbeitet (Bertram und Cornett, 1993; Mazarati et al., 1998; Walker et al., 1999; Gorter et al., 2001). Hieraus resultiert nicht nur nach elektrographischen, sondern auch nach klinischen Kriterien ein Status epilepticus, der über das Ende der eigentlichen Stimulation hinaus für mehrere Stunden anhält und daher als selbsterhaltend bezeichnet wird. Im Vergleich zu der Methode von Sloviter werden die Tiere über deutlich kürzere Perioden, zwischen 30 Minuten und zwei Stunden, stimuliert. Die Erfolgsrate, also der Anteil der Tiere, die durch die Behandlung einen Status epilepticus entwickelt, liegt bei der elektrischen Stimulationsmethode bei 70 bis 94 [Seite 14↓]Prozent (Vicedomini und Nadler, 1987; Lothman et al., 1989; Gorter et al., 2001).

Gegenüber den chemokonvulsiven Modellen hat die elektrische Induktion eines Status epilepticus einige Vorteile. Hier ist zunächst der Wegfall der neurotoxischen Wirkung chemokonvulsiver Substanzen zu nennen. Vor allem Kainat zeigt eine ausgeprägte neurotoxische Wirkung (Ferkany et al., 1984), deren Folgen nicht von den Effekten der Anfallsaktivität unterschieden werden kann. Ein weiterer Nachteil der Applikation von Chemokonvulsiva ist die andauernde Präsenz der Substanz über das Erreichen des Status epilepticus hinaus. Dies ist vor allem bei der Untersuchung potentiell antikonvulsiver Substanzen ungünstig, da es zu einer Interaktion zwischen dem Chemokonvulsivum und der zu testenden Substanz kommen kann. Desweiteren hat vor allem Pilocarpin aufgrund seiner systemischen cholinergen Wirkungen eine stark beeinträchtigende Wirkung auf den Allgemeinzustand der Versuchstiere, so dass diese über einige Tage nach der Behandlung intensiv betreut werden müssen (Cavalheiro et al., 1991; Mello et al., 1993; Gibbs, III et al., 1997).Dabei ist eine Beeinflussung der Gehirnfunktion durch die allgemeinkörperliche Stoffwechsellage sehr wahrscheinlich. Hingegen wurde der Allgemeinzustand der Versuchstiere nach elektrisch induziertem Status epilepticus als gut beschrieben (Goodman, 1998). Die Verabreichung von Pilocarpin ist mit einer hohen Letalität der Versuchstiere verbunden. Sterblichkeitsraten von anfänglich 83 bis 100 Prozent (Jope et al., 1986; Morrisett et al., 1987) konnten durch eine Reduzierung der Dosis, die Verabreichung von Methylscopolamin zur Verringerung systemischer Nebenwirkungen sowie eine medikamentöse Unterbrechung des Status epilepticus auf 25 bis 42 Prozent verringert werden (Mello et al., 1993; Leite und Cavalheiro, 1995; Longo und Mello, 1999). Auch Kainat zeigt in hohen Dosierungen eine Letalität von über 50 Prozent (Brines et al., 1995). Durch eine fraktionierte Gabe niedriger Dosen von Kainat kann die Letalität in diesem Modell auf 15 Prozent gesenkt werden (Hellier et al., 1998). Im elektrischen Stimulationsmodell liegt die Sterblichkeitsrate der Versuchstiere bei 9 bis 27 Prozent (McIntyre et al., 1982; Shirasaka und Wasterlain, 1994). Ein Nachteil der Methode der elektrischen Stimulation liegt in der Notwendigkeit, mit der Stimulationselektrode einen Fremdkörper in das Gehirn einzubringen. Durch die Untersuchung von Elektrodenkontrollen, also Tieren, die nach Elektrodenimplantation nicht stimuliert [Seite 15↓]werden, ist es jedoch möglich, die Auswirkungen des durch die Implantation verursachten mechanischen Traumas bzw. der Narbenbildung gesondert zu analysieren. Desweiteren kann durch Stimulation unter medikamentöser Unterdrückung der epileptischen Aktivität bestimmt werden, welchen Einfluss die Stromapplikation auf die Untersuchungsparameter hat. Die Untersuchung dieser Frage, zu der bislang keine Daten existieren, liefert einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung des Modells.

In allen vorgestellten Modellen entwickelt in der Folge des Status epilepticus ein Großteil der Tiere nach einer anfallsfreien Latenzperiode eine chronische Epilepsie. Rekurrente, spontane epileptische Anfälle in variabler Frequenz treten bei 60 bis 100 Prozent der Tiere im Kainat-Modell (Cavalheiro et al., 1982; Hellier et al., 1998; Dudek et al., 2002), 69 bis 100 Prozent im Pilocarpin-Modell (Cavalheiro et al., 1991; Arida et al., 1999; Klitgaard et al., 2002) und 50 bis 100 Prozent der Tiere im elektrischen Stimulationsmodell auf (Lothman et al., 1990; Mathern et al., 1997; Gorter et al., 2001). Es handelt sich dabei überwiegend um fokal eingeleitete, sekundär generalisierte tonisch-klonische Anfälle. Die in den genannten Modellen in der Folge eines Status epilepticus spontan auftretenden motorischen Anfälle sind den während der Prozedur des Kindlings reizabhängig auftretenden Anfällen sehr ähnlich, so dass der Schweregrad dieser Anfälle nach einer von Racine ursprünglich für das Kindling entwickelten Skala eingeteilt wird. Die Einteilung nach Racine beinhaltet fünf Schweregrade, wobei Schweregrad 1 und 2 partialen, limbischen Anfällen mit geringen motorischen Entäußerungen, Schweregrad 3 bis 5 sekundär generalisierten, motorischen Anfällen entspricht (Racine, 1972; Löscher, 2002).

Das histologische Bild der Gehirne von chronisch epileptischen Tieren nach Status epilepticus ist von degenerativen Veränderungen der hippocampalen Formation geprägt. Zwischen den drei Modellen existieren diesbezüglich keine bedeutenden Unterschiede. Sehr ähnliche Veränderungen finden sich auch in resezierten Hippocampi bzw. in Autopsiematerial von Patienten mit einer Temporallappenepilepsie. Aufgrund der Ähnlichkeit des histologischen Befundes sowie aufgrund klinischer Parallelen wird die chronische Epilepsie, die sich bei Versuchstieren in Fol[Seite 16↓]ge des experimentellen Status epilepticus entwickelt, häufig als Modell für die menschliche Temporallappenepilepsie verwendet (Sloviter und Damiano, 1981; Nadler, 1981; Mello et al., 1993).

Grundsätzlich können menschliche Krankheitsbilder in Tiermodellen nicht in allen Aspekten übereinstimmend nachgeahmt werden. Trotz dieser allgemeinen Einschränkung sind Tiermodelle für die Erforschung grundlegender Pathomechanismen der Epilepsie von sehr großem Wert. Untersuchungen zur Pathophysiologie der Epilepsie am Menschen sind vor allem aus ethischen Gründen enge Grenzen gesetzt. Zudem ist die Bestimmung der Konsequenzen eines Status epilepticus oder von Anfällen durch zahlreiche Einflussfaktoren erschwert. Hierzu zählen unter anderem das Alter des Patienten, die Ätiologie der Erkrankung, Anfallstyp und -dauer sowie die Einnahme antiepileptischer Medikamente. Tiermodelle bieten den Vorteil der Kontrollierbarkeit bzw. Standardisierbarkeit dieser Variablen. In den vorgestellten Modellen, in denen ein initialer Status epilepticus nach einer Latenzperiode in der überwiegenden Zahl der Tiere zu einer chronischen Epilepsie führt, können verschiedene Prozesse untersucht werden: 1) Pathophysiologie und therapeutische Beeinflussbarkeit des Status epilepticus, 2) strukturelle und funktionelle Grundlagen der Epileptogenese, 3) Eigenschaften und zeitlicher Verlauf der chronischen Epilepsie. In allen Phasen können neben der klinischen Beobachtung histologische, biochemische und elektrophysiologische Untersuchungsmethoden eingesetzt werden. Elektrophysiologische Messungen können dabei sowohl am lebenden Tier, in vivo, als auch in der Hirnschnittpräparation, in vitro, durchgeführt werden.

1.2 Die Hippocampusformation

1.2.1  Anatomie

Unter dem Begriff Hippocampusformation werden die temporalen Hirnwindungen Gyrus dentatus, Ammonshorn oder Cornu ammonis, auch Hippocampus proper genannt, und die angrenzenden Kortexareale Subiculum, Prä- und Parasubiculum sowie der entorhinale Kortex zusammengefasst (zur Übersicht siehe Johnston und Amaral, 1998). Die Hippocampusformation ist paarig angelegt, die Längsachse der beiden gebogenen Strukturen verläuft jeweils von septal nach [Seite 17↓]temporal, so dass der Eindruck von zwei aneinander gelehnten „C“s entsteht (siehe Abbildung 1). Medial grenzt die Hippocampusformation an den Thalamus an, lateral wölbt sie sich in das untere Horn des Seitenventrikels vor. Phylogenetisch sind Cornu ammonis und Gyrus dentatus den älteren Anteilen der Hirnrinde, dem Archikortex, zuzuordnen. Es liegt die dem Archikortex eigene dreischichtige Struktur, der Allokortex, vor. Hierbei sind im Schnittbild auch ohne Anfärbung deutlich zellkörperhaltige und faserführende Schichten zu unterscheiden. In der Mitte liegt jeweils die Prinzipalzellschicht, die im Gyrus dentatus in hoher Dichte Körnerzellen, im Cornu ammonis Pyramidenzellen enthält. Nach oben schließt sich im Gyrus dentatus die weitgehend azelluläre Molekularschicht an, in der die Dendriten der Körnerzellen liegen. Auf den Dendriten in dieser Schicht enden zahlreiche Afferenzen, im Gyrus dentatus neben Assoziations- und Kommissurenfasern vor allem Afferenzen aus dem entorhinalen Kortex. Die Körnerzellschicht des Gyrus dentatus umfasst U-förmig eine polymorphe Schicht, Hilus genannt, in der in geringer Dichte die Somata von inhibitorischen Interneuronen und exzitatorischen Mooszellen liegen. Mooszellen sind glutamaterge Neurone, die Prinzipalzellen und Interneurone sowohl des ipsi- als auch des kontralateralen Gyrus dentatus und Hippocampus proper innervieren (Scharfman, 1995). Eine Beschreibung der inhibitorischen Interneurone erfolgt in Kapitel 1.3.1. Durch den Hilus ziehen auch die Axone der Körnerzellen, die sogenannten Moosfasern. Das Ammonshorn ist in seiner Grundstruktur dem Gyrus dentatus sehr ähnlich, die faserführenden Schichten ober- und unterhalb der Prinzipalzellschicht werden lediglich nach den sie erreichenden Afferenzen noch weiter unterteilt. Das Cornu ammonis wird nach Lorente de Nó entsprechend der Größe der Pyramidenzellen in die Abschnitte CA1-CA3 eingeteilt, wobei CA3 mit den größten Pyramidenzellen dem Hilus am nächsten liegt (Lorente de Nó, 1934).


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Abb.1:(A) Schematische Darstellung der räumlichen Lage der hippocampalen Formation sowie der Fornices und Corpora mamillaria im Rattengehirn (nach Amaral und Witter, 1989). (B) Ausschnitt aus einem Koronarschnitt durch das Rattengehirn. Die hippocampale Formation mit Cornu ammonis (CA) und Gyrus dentatus (GD) ist aufgrund ihres charakteristischen schichtförmigen Aufbaus gut zu erkennen (nach Paxinos und Watson, 1986). (C) Schemazeichnung des synaptischen Schaltkreises innerhalb der hippocampalen Formation. Durch den Tractus perforans (Tp) erreichen Axone aus dem entorhinalen Kortex die Dendriten der Körnerzellen (Kz). Die Axone der Körnerzellen, die Moosfasern (Mf), ziehen zu den Pyramidenzellen (Pz) der CA3. Deren Axone, die Schafferschen Kollateralen (Sk), projizieren zu den Pyramidenzellen der CA1. Die Axone der CA1-Pyramidenzellen ziehen u.a. zurück zum entorhinalen Kortex.

1.2.1.1 Synaptische Verschaltung

Den wichtigsten synaptischen Eingang in die hippocampale Formation bildet der Tractus perforans. Die Axone dieses Faserbündels entstammen der oberflächlich gelegenen Schicht II des ipsi- und teilweise auch des kontralateralen entorhinalen Kortex. Vom entorhinalen Kortex verlaufen die Axone rostralwärts und durchdringen die hippocampale Fissur, woraus sich der Name Tractus perforans erklärt. Ein Großteil der Fasern teilt sich nach Eintritt in den Gyrus dentatus dichotom und schickt je eine Axonkollaterale zur unteren und oberen Molekularschicht. [Seite 19↓]Im äußeren und mittleren Drittel der Molekularschicht bilden die Axone mit den stark verzweigten Dendriten der Körnerzellen synaptische Kontakte. Ein Teil der Fasern des Tractus perforans zieht unter Umgehung des Gyrus dentatus direkt zur Dendritenschicht des Ammonshorns. Vom Gyrus dentatus aus verlaufen die Axone der Körnerzellen durch den Hilus, wo sie zahlreiche Kollateralen an Interneurone und Mooszellen abgeben, zu den proximalen Dendriten der Pyramidenzellen in CA3. Die Axone der CA3-Pyramidenzellen innervieren die apikalen und basalen Dendriten von CA1-Pyramidenzellen. Dieses Faserbündel wird Schaffer`sche Kollaterale genannt. Von den Pyramidenzellen der CA1-Region verlaufen die Axone, direkt und nach Umschaltung im Subiculum, zurück zum entorhinalen Kortex, und zwar zu den tief gelegenen Schichten V und VI. Die geschilderten Verbindungen stellen die wichtigsten Erregungsbahnen durch die hippocampale Formation dar und werden nach Andersen et al. trisynaptischer Schaltkreis genannt (Andersen et al., 1971a). Die Bedeutung dieses intrahippocampalen Schaltkreises ergibt sich aus der Tatsache, dass die tiefen entorhinalen Schichten großteils zu denselben Kortexarealen projizieren, aus denen die Afferenzen zu den oberflächlichen entorhinalen Schichten stammen. Ein Impuls aus einer bestimmten kortikalen Region kann demnach nach Eintritt in den entorhinalen Kortex den gesamten hippocampalen Schaltkreis durchlaufen und zu seiner Ausgangsstruktur zurückkehren, wobei eine Prozessierung der Information stattfindet (Johnston und Amaral, 1998).

1.2.2  Funktion

Der Hippocampus und die unmittelbar angrenzenden Strukturen gehören zu den am besten untersuchten Regionen des Säugetiergehirns. Aufgrund ihres klaren, schichtartigen Aufbaus bietet die hippocampale Formation die Möglichkeit, Struktur und Funktionsweise von Synapsen, Neuronen und übergeordneten Netzwerken modellhaft zu untersuchen (Patton und McNaughton, 1995).

Ein weiterer Grund für die intensive Erforschung dieser Hirnregion liegt in ihrer Funktion. Die physiologische Funktion der hippocampalen Formation besteht nach heutigem Kenntnisstand in der Prozessierung neu erworbener Information als Vorbereitung auf die Speicherung im Langzeitgedächtnis. Einen ersten Hinweis darauf, dass der Hippocampus eine wichtige Rolle für die Gedächtnisfunktion [Seite 20↓]spielt, lieferten in den fünfziger Jahren Scoville und Milner mit ihrem Bericht über den Patienten H.M. (Scoville und Milner, 1957). Bei diesem Patienten war zur Behandlung einer pharmakoresistenten Epilepsie eine beidseitige Resektion von Teilen des Temporallappens einschließlich der hippocampalen Formation durchgeführt worden. Als Folge der Operation trat eine permanente anterograde Amnesie auf, also ein Verlust der Fähigkeit, neue Informationen in das Langzeitgedächtnis zu überführen (zur Übersicht siehe Corkin, 2002). Seitdem ist die hippocampale Formation in ihrer Bedeutung für Lernen und Gedächtnis Gegenstand intensiver Forschung. Anfang der siebziger Jahre konnte erstmals gezeigt werden, dass die repetitive Aktivierung exzitatorischer Synapsen des Hippocampus zu einer Verstärkung der synaptischen Übertragung führt, die über Stunden bis Tage anhalten kann (Lomo, 1971b; Bliss und Lomo, 1973). Diese als Langzeit-Potenzierung, englisch long-term potentation (LTP), bezeichnete langanhaltende, aktivitätsabhängige Zunahme der Effizienz synaptischer Übertragung wird allgemein als zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis angesehen. Ein kausaler Zusammenhang zwischen dieser Form der synaptischen Plastizität und der Gedächtnisfunktion ist jedoch nicht unumstritten, da ein definitiver experimenteller Beweis bis heute fehlt (zur Übersicht siehe Malenka und Nicoll, 1999; Martin und Morris, 2002).

Eine große Rolle spielt die hippocampale Formation zudem in der Epilepsieforschung. Von allen Hirnregionen weist der Hippocampus die niedrigste Schwelle für die Auslösung epileptischer Aktivität auf (Green, 1964). Diese Eigenschaft beruht zum einen auf stark ausgeprägten rekurrenten exzitatorischen Verbindungen der Pyramidenzellen der CA3 sowie auf dem intrinsischen Burstverhalten dieser Zellen (Johnston und Amaral, 1998). Zum anderen zeichnet sich der Hippocampus durch einen sehr kleinen Extrazellulärraum aus. Aus diesem Grunde kommen auch nicht-synaptische Synchronisationsmechanismen als Ursache einer erleichterten Entstehung und Ausbreitung epileptischer Aktivität in Betracht (Jefferys, 1995). Aufgrund der großen räumlichen Nähe können Neurone von aktivierten benachbarten Neuronen leichter über Feldeffekte (ephaptisch) erregt werden. Aus demselben Grunde fallen aktivitätsabhängige räumliche Verschiebungen von Ionen stärker ins Gewicht. So kann eine im Rahmen eines Aktionspotentials auftretende Akkumulation von Kaliumionen im Extrazellulärraum über eine Reduktion [Seite 21↓]des elektrochemischen Gradienten zu einer Depolarisation benachbarter Zellen führen. Auch eine Reduktion extrazellulärer Kalziumionen kann eine Verminderung des transmembranösen Potentialgradienten zur Folge haben, da membranständige negative Ladungen an der Außenseite der Zellmembran weniger durch die positiv geladenen Kalziumionen neutralisiert werden (Heinemann et al., 1977). Die resultierende Depolarisation von Neuronen kann in allen Fällen zur Aufrechterhaltung und Prolongation von Anfällen beitragen. Diese besonderen Eigenschaften des Hippocampus werden in den meisten gängigen in vivo und in vitro Studien zur experimentellen Auslösung epileptischer Aktivität genutzt. Wie mittels elektrographischer Tiefenableitungen gezeigt wurde, werden bei der häufigsten fokalen Epilepsieform des Menschen, der Temporallappenepilepsie (Siemes und Bourgeois, 2001), 87 Prozent der Anfälle im Hippocampus generiert (Spencer et al., 1990). Zudem zeigen Untersuchungen an resezierten Hippocampi von Patienten mit einer pharmakoresistenten Temporallappenepilepsie in 50 bis 80 Prozent der Fälle morphologische Veränderungen dieser Hirnregion (Engel, Jr. et al., 1975; Williamson et al., 1993). Dabei wird aufgrund der makroskopisch sichtbaren Verkleinerung und Indurierung der Struktur allgemein von einer Hippocampussklerose, Ammonshornsklerose oder auch mesialen Temporallappensklerose gesprochen. Auf mikroskopischer Ebene zeichnet sich die Hippocampussklerose durch ein sehr spezifisches Schädigungsmuster aus: Im Hilus des Gyrus dentatus und in der Pyramidenzellschicht von CA1 und CA3 zeigen sich ausgeprägte Zellverluste, während die Körnerzellen des Gyrus dentatus und die Pyramidenzellen in CA2 vergleichsweise gut erhalten sind (Bratz, 1899; Margerison und Corsellis, 1966). Desweiteren gelten eine Verbreiterung der Körnerzellschicht und ein aberrantes Aussprossen von Moosfasern als morphologische Charakteristika des Krankheitsbildes (Sutula et al., 1989; Houser, 1990; Babb et al., 1991). Sehr ähnliche histologische Veränderungen zeigen die Gehirne chronisch epileptischer Versuchstiere nach experimentellem Status epilepticus (Nadler, 1981; Sloviter und Damiano, 1981; Mello et al., 1993), siehe auch Kapitel 1.1.1.

Im Gegensatz zum Hippocampus proper zeichnet sich der Gyrus dentatus unter physiologischen Bedingungen durch eine hohe Schwelle für die Auslösung epileptischer Aktivität aus (Lothman, 1994). Die erschwerte Erregbarkeit beruht [Seite 22↓]zum Teil auf der starken inhibitorischen Kontrolle durch Interneurone (siehe Kapitel 1.3.1) sowie dem Fehlen rekurrenter exzitatorischer Kreisläufe, zum Teil auf intrinsischen Eigenschaften der Körnerzellen. Diese haben ein sehr negatives Ruhemembranpotenzial, reagieren auf repetitive Stimuli mit einer Frequenzadaptation und zeigen nach einem Aktionspotenzial eine ausgeprägte Nachhyperpolarisation (Scharfman und Schwartzkroin, 1990; Spruston und Johnston, 1992). Es ist möglich, dass der Gyrus dentatus aufgrund der geschilderten Merkmale sowie aufgrund seiner Position als erstes Glied des trisynaptischen Schaltkreises nachgeschaltete Areale wie die CA3-Region vor einer Übererregung schützt (Heinemann et al., 1992; Lothman et al., 1992).

1.3 Prinzipien der Hemmung

Ein grundlegendes Prinzip neuronaler Netzwerke ist, dass die Erregbarkeit von Prinzipalzellen durch inhibitorische Interneurone kontrolliert wird. Als Prinzipalzellen werden exzitatorische Neurone bezeichnet, deren Soma und Axonterminalen in unterschiedlichen Hirnregionen liegen, die also über weite Distanzen projizieren. Interneurone dagegen sind überwiegend inhibitorische, GABAerge Neurone, deren vergleichsweise kurze Axone auf Zielzellen innerhalb derselben Hirnregion enden. Im englischen Sprachgebrauch wird dieser Zelltyp daher auch als „local circuit neuron“ bezeichnet. Neben einer lateralen Hemmung, die vor allem einer Kontrastverstärkung in sensorischen Kortexarealen dient, sind grundsätzlich eine Vorwärts- und eine Rückwärtshemmung, englisch „feedforward-“ und „feedbackinhibition“, zu unterscheiden. Die anatomische Grundlage dieser beiden Mechanismen ist die Innervation von Interneuronen sowohl durch externe Afferenzen als auch durch Prinzipalzellen (Buzsaki, 1984). Bei der afferenten oder Vorwärtshemmung führt die Aktivität eines exzitatorischen Neurons über Afferenzen sowohl zur Erregung einer Prinzipalzelle als auch eines Interneurons. Das Interneuron hat seinerseits synaptischen Kontakt zur Prinzipalzelle, so dass dem exzitatorischen Potenzial in der Prinzipalzelle mit minimaler zeitlicher Verzögerung ein inhibitorisches Potenzial folgt (Pouille und Scanziani, 2001). Von einer rekurrenten oder Rückwärtshemmung spricht man hingegen, wenn die Exzitation eines Interneurons durch die aktivierte Prinzipalzelle erfolgt. Durch rückläufige Axone inhibiert daraufhin das Interneuron die Prinzipalzelle (Andersen et al., 1963). Das Prinzip [Seite 23↓]der Vorwärts- und Rückwärtshemmung verdeutlicht Abbildung 2.

Abb.2: Schematische Darstellung der Vorwärts- und Rückwärtshemmung, englisch „feedforward-“ und „feedbackinhibition“.

Die beteiligten exzitatorischen Neurone/Axone sind dunkel, die inhibitorischen Interneurone hell dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Prinzipien der Vor- und Rückwärtshemmung an zwei verschiedenen Interneuronen gezeigt. Bei der Vorwärtsinhibition, in der Abbildung links, erregt ein externes exzitatorisches Neuron die Prinzipalzelle, mittig dargestellt, und das Interneuron, dieses inhibiert die Prinzipalzelle. Somit erhält die Prinzipalzelle fast gleichzeitig zwei synaptische Einflüsse, exzitatorisch und inhibitorisch, deren Effekte sich überlagern. Bei der rekurrenten Inhibition, in der Abbildung rechts, erregt ein exzitatorisches Neuron die Prinzipalzelle, diese erregt das Interneuron, welches über rückläufige Axonkollateralen die Prinzipalzelle inhibiert. Letztere wird durch die inhibitorische Wirkung hyperpolarisiert und reagiert auf eine mit kurzem zeitlichem Abstand nachfolgende Erregung nicht mit einem Aktionspotenzial. (Nach Westbrook, 2000)

1.3.1 Interneurone des Gyrus dentatus

In der hippocampalen Formation kontrollieren inhibitorische Interneurone die Aktivität der Prinzipalzellen auf allen Ebenen des trisynaptischen Schaltkreises. Aber auch die Generierung von Aktionspotenzialen in den Interneuronen selbst unterliegt ihrerseits der Regulation durch andere Interneurone (Misgeld und Frot[Seite 24↓]scher, 1986). Eine weitere Funktion der Interneurone, die auf Netzwerkverbindungen sowie auf intrinsischen Eigenschaften dieser Zellen beruht, besteht nach neueren Erkenntnissen in der Synchronisation der Aktivität großer Populationen von Prinzipalzellen (zur Übersicht siehe McBain und Fisahn, 2001; Buzsaki, 2001). Im Gegensatz zu den Prinzipalzellen sind die Interneurone sowohl morphologisch als auch bezüglich ihrer Konnektivität eine ausgesprochen heterogene Zellpopulation. Aufgrund von Studien an Golgi-imprägnierten Hirnschnittpräparaten erfolgte die Beschreibung und Einteilung der Interneurone zunächst anhand morphologischer Kriterien wie der Lokalisation des Somas und der Projektion der Axone (Ramón y Cajal, 1893; Lorente de Nó, 1934). Die Entdeckung, dass Interneurone neben GABA auch Neuropeptide wie Somatostatin, vasoaktives intestinales Peptid (VIP) und Cholezystokinin oder Calcium-bindende Proteine wie Parvalbumin und Calbindin exprimieren (Somogyi et al., 1984; Kosaka et al., 1987; Sloviter, 1989), hat zur Etablierung einer zusätzlichen neurochemischen Klassifikation geführt. Der immunhistochemische Nachweis der exprimierten Proteine bzw. Peptide hat sich als sehr nützlich erwiesen, um die selektive Vulnerabilität verschiedener Subpopulationen von Interneuronen unter pathologischen Bedingungen wie Epilepsie oder Ischämie zu untersuchen.

Da die elektrophysiologischen Messungen in der vorliegenden Arbeit im Gyrus dentatus durchgeführt wurden, sollen im Folgenden die wichtigsten Interneurontypen dieser Region vorgestellt werden. Korbzellen, englisch „basket cells“, deren Benennung von den korbförmigen Axonplexus herrührt, den diese Zellen ausbilden, sind die am besten untersuchten inhibitorischen Interneurone des Gyrus dentatus sowie auch des Hippocampus proper. Nach Form und Lokalisation werden fünf verschiedene Typen von Korbzellen unterschieden (Ribak und Seress, 1983), nach neurochemischen Gesichtspunkten zwei, nämlich Parvalbumin-haltige und solche, die VIP und/oder Cholezystokinin enthalten (Freund, 2003). Der Anteil der Parvalbumin-positiven Korbzellen beträgt 32-38 Prozent (Ribak et al., 1990). Die Korbzellen des Gyrus dentatus liegen überwiegend im direkt an den Hilus angrenzenden Bereich der Körnerzellschicht, darüber hinaus auch im Hilus selbst und sehr vereinzelt in der Molekularzellschicht (Kosaka et al., 1987). Korbzellen bilden Synapsen mit den Somata und proximalen Dendriten von Körnerzellen, aber auch [Seite 25↓]von anderen Interneuronen (Katsumaru et al., 1988). Die Innervation der Korbzellen erfolgt zum einen durch Moosfasern, die Axonkollateralen der Körnerzellen, zum anderen durch kommissurale Afferenzen und solche aus dem entorhinalen Kortex, die im Tractus perforans verlaufen (Zipp et al., 1989; Nitsch et al., 1990). Diese Art der Innervation ist die morphologische Basis für die inhibitorische Wirkung der Korbzellen sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts-Schaltungen (Feedforward- und Feedbackhemmung), wobei die rekurrente Erregung der Korbzellen durch Moosfasern bei weitem überwiegt (Seress et al., 2001). Obwohl das Verhältnis von Korb- zu Körnerzellen nur etwa 1:200 beträgt, ist eine effektive rekurrente Inhibition dadurch gewährleistet, dass eine Korbzelle inhibitorische Synapsen mit bis zu 500 Körnerzellen bildet (Seress und Ribak, 1983).

Ein weiterer Interneurontyp des Gyrus dentatus, der teilweise Parvalbumin exprimiert, ist die Chandelierzelle, die aufgrund der Lokalisation ihrer Axonterminalen auf dem initialen Axonsegment ihrer Zielzellen auch axo-axonische Zelle genannt wird. Die Zielzellen dieses Zelltyps sind zu über 90 Prozent Körnerzellen (Soriano et al., 1990). Chandelierzellen liegen in der inneren Molekularschicht und im angrenzenden äußeren Teil der Körnerzellschicht, außerdem im Hilus. Die Dendriten der axo-axonischen Interneurone der Molekular- und Körnerzellschicht erstrecken sich bis in die äußere Molekularschicht, wo sie, ähnlich den Körnerzellen, synaptischen Eingang durch entorhinale und kommissurale Afferenzen erhalten. Hingegen sind Moosfasersynapsen nur sehr spärlich vorhanden, so dass man davon ausgeht, dass Chandelierzellen in dieser Lokalisation Körnerzellen überwiegend in Vorwärtsrichtung inhibieren (Soriano et al., 1990). Hingegen scheinen im Hilusbereich gelegene Chandelierzellen aufgrund einer dichten Innervation durch Moosfaserkollateralen primär der Feedbackinhibition zu dienen (Martinez et al., 1996).

Eine weitere, heterogene Gruppe von Interneuronen, deren Somata hauptsächlich im Hilusbereich liegen, zeichnet sich durch die vorzugsweise bzw. ausschließliche Innervation der Körnerzelldendriten aus. Für diese Zellpopulation wurde der Überbegriff „dendritische inhibitorische Zellen“ vorgeschlagen (Freund und Buzsaki, 1996). Abgesehen von der Verschiedenheit der Zielstrukturen unterscheidet sich diese Interneuronpopulation von den bisher geschilderten Korb- und Chandelier[Seite 26↓]zellen durch ihre physiologischen Eigenschaften. Der dendritischen Inhibition liegen andere Mechanismen zugrunde als der perisomatischen (Miles et al., 1996; Harney und Jones, 2002). Die dendritischen inhibitorischen Zellen machen den überwiegenden Teil der Somatostatin-immunreaktiven Zellen des Hilus aus (Bakst et al., 1986; Leranth et al., 1990). Synaptischen Eingang erhalten die Zellen durch Axone des Tractus perforans und durch Moosfaserkollateralen, so dass eine Aktivierung sowohl vorwärtsgerichtet als auch rekurrent erfolgen kann (Leranth et al., 1990) .

1.3.2 GABA und GABA-Rezeptoren

Der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im adulten zerebralen Kortex der Säugetiere ist die γ-Aminobuttersäure (GABA). Auch in der Hippocampusformation ist die inhibitorische synaptische Transmission durch Interneurone hauptsächlich GABA-vermittelt (Roberts, 1974), wohingegen die ebenfalls inhibitorisch wirksame Aminosäure Glycin nur eine untergeordnete Rolle spielt. Innerhalb
GABAerger Axonterminale entsteht durch Transaminierung aus α—Ketoglutarat Glutamat, welches durch das Enzym Glutamatdecarboxylase (GAD) in GABA umgewandelt wird. GABA wird in synaptische Vesikel aufgenommen und mittels Calcium-abhängiger Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt. Leitet man von einer kortikalen Prinzipalzelle intrazellulär monosynaptisch übertragene Hyperpolarisationen ab, so zeigen diese ein frühes Maximum nach ca. 10 ms und ein spätes Maximum nach ca. 150 ms. Nach Applikation spezifischer Rezeptorantagonisten erweist sich die schnelle hyperpolarisierende Antwort als GABAA- die langsame Antwort als GABAB-vermittelt (Olsen und Avoli, 1997). GABAA-Rezeptoren sind heteropentamere Proteine und gehören zur Gruppe der ligandengesteuerten Ionenkanäle. Die Bindung von GABA an den Rezeptor führt direkt zu einer Konformationsänderung der Membranpore, die dadurch durchlässiger für Chloridionen wird. Es resultiert ein Nettoeinwärtsstrom negativ geladener Chloridionen. Neben der Bindungsstelle für GABA verfügt der GABAA-Rezeptor über mehrere andere Bindungsstellen, unter anderem für Benzodiazepine und Barbiturate, durch deren Besetzung die Funktion des Rezeptors moduliert wird (Mohler, 1992). GABAA-Rezeptoren sind überwiegend postsynaptisch lokalisiert. GABAB-Rezeptoren ge[Seite 27↓]hören zur Gruppe der metabotropen Rezeptoren und sind überwiegend prä-, aber auch postsynaptisch lokalisiert. Die Bindung von GABA führt bei diesem Rezeptortyp zur Aktivierung von G-Proteinen, was präsynaptisch zu einer Verminderung des Calciumeinstroms, postsynaptisch zu einer Erhöhung der Kaliumpermeabilität und damit einem verstärkten Kaliumausstrom führt (Dutar und Nicoll, 1988; Luscher et al., 1997). GABAB-Rezeptoren sind in der Hippocampusformation überwiegend auf präsynaptischen GABAergen, aber auch glutamatergen Nervenendigungen lokalisiert, wo ihre Wirkung in einer Unterdrückung der Transmitterfreisetzung besteht (Thompson et al., 1993). An beiden postsynaptischen Rezeptortypen wirkt GABA, indem es die Leitfähigkeit der Membran für ein Ion erhöht, dessen Gleichgewichtspotenzial negativer als das Ruhemembranpotenzial ist, auf die Zelle hyperpolarisierend, wodurch die Generierung eines Aktionspotenzials verhindert wird. Die GABA-Wirkung wird beendet, indem der Transmitter durch membranständige GABA-Transporter in präsynaptische Nervenendigungen und Gliazellen aufgenommen wird. Unter Mitwirkung des Enzyms GABA-Transaminase erfolgt der Abbau der Substanz.

1.4 Theorien zur Epileptogenese

Das neurobiologische Korrelat eines epileptischen Anfalls besteht darin, dass in einer größeren Population von Prinzipalzellen eine anhaltende Depolarisierung mit übergelagerten multiplen hochfrequenten Aktionspotenzialen auftritt (Ayala, 1983). Dieses Phänomen entsteht aufgrund einer Hyperexzitabilität der beteiligten Zellen, die prinzipiell auf einer verstärkten exzitatorischen oder einer verminderten inhibitorischen Neurotransmission beruhen kann. Ein nahe liegendes Argument für die Hypothese eines Ungleichgewichts zwischen Exzitation und Inhibition als Grundlage epileptischer Aktivität liefert die Wirkungsweise gängiger anti- und prokonvulsiver Substanzen: Die Wirkung einiger antikonvulsiv wirksamer Medikamente beruht auf einer Verstärkung der GABA-Wirkung. Hierzu zählen die Benzodiazepine, die die Bindung von GABA an den GABA-Rezeptor verstärken, die Barbiturate, die die Öffnungszeit des Chloridkanals verlängern, sowie einige neuere Antikonvulsiva, Tiagabin und Vigabatrin, die den GABA-Gehalt im synaptischen Spalt erhöhen (Kwan et al., 2001). Umgekehrt wirken GABA-Antagonisten wie Bicucullin und Picrotoxin im Tiermodell prokonvulsiv. Alternativ ist eine prokonvul[Seite 28↓]sive Wirkung experimentell auch durch eine Verstärkung der Glutamat-vermittelten exzitatorischen synaptischen Transmission erzielbar, zum Beispiel durch die in Kapitel 1.1.1 näher beschriebenen Chemokonvulsiva Pilocarpin und Kainat.

Der Begriff der Disinhibitionshypothese im Zusammenhang mit dem Krankheitsbild der Epilepsie wurde ursprünglich aufgrund des Befundes einer erhöhten Zahl GABAerger Interneurone und GABAerger Nervenendigungen in mongolischen Wüstenrennmäusen mit angeborener Epilepsie geprägt (Peterson et al., 1985). Die Autoren folgerten, dass eine gesteigerte Inhibition von Interneuronen durch andere Interneurone zu einer Disinhibition der Körnerzellen und letztlich zum Auftreten von Anfällen führe. Unter Einsatz moderner Nachweismethoden hat sich das ursprünglich der Hypothese zugrunde liegende Ergebnis als nicht haltbar erwiesen (Buckmaster et al., 2000). Das grundsätzliche Prinzip einer Disinhibition von Prinzipalzellen als Ursache epileptischer Aktivität gilt jedoch bis heute. Ein Versagen der inhibitorischen Kontrolle im Zusammenhang mit einer Epilepsie wurde bisher sowohl in experimentellen Modellen als auch beim Menschen auf verschiedenen Ebenen nachgewiesen. Mögliche Mechanismen des Inhibitionsverlustes beinhalten unter anderem einen Untergang von Interneuronen (de Lanerolle et al., 1989; Obenaus et al., 1993), Veränderungen der Netzwerkverbindungen von Interneuronen (Sloviter, 1991b), der GABA-Freisetzung (Hirsch et al., 1999) oder der Zusammensetzung von GABA-Rezeptoren (Fritschy et al., 1999).


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1.5 Fragestellung der Arbeit und Hypothesen

In der vorliegenden Arbeit wurden in einem tierexperimentellen Modell das Auftreten epileptischer Anfälle sowie elektrophysiologische Veränderungen im Gyrus dentatus nach Status epilepticus untersucht.

Die folgenden Hypothesen sollten überprüft werden:

  1. Der elektrisch induzierte Status epilepticus führt bei einem Großteil der Versuchstiere zur Entwicklung einer chronischen Epilepsie in Form von rekurrenten spontanen Anfällen.
  2. Nach elektrisch induziertem Status epilepticus kommt es im Gyrus dentatus zu einem Verlust der rekurrenten Inhibition.
  3. Die Erregbarkeit der Prinzipalzellen des Gyrus dentatus ist nach Status epilepticus gesteigert.
  4. Infolge einer elektrischen Stimulation unter medikamentöser Unterdrückung der epileptischen Aktivität kommt es weder zu signifikanten Veränderungen der elektrophysiologisch messbaren Parameter noch zu einem Auftreten von Anfällen.

Für die Punkte 1 bis 3 sollten zudem folgende Fragen beantwortet werden:

  1. Welchen Einfluss hat die Dauer des Status epilepticus auf die Messgrößen?
  2. Wie entwickeln sich die Untersuchungsparameter im zeitlichen Verlauf nach Status epilepticus?


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17.01.2005