The present study examined the hypothesis that NMDA, AMPA/Kainate, and metabotropic (mGlu) glutamate receptors contribute to a behavioral stimulation induced by activation of dopamine receptors by comparing responses in apomorphine-induced cage climbing behaviors in mice. MK-801, CNQX, and MCPG were served as the NMDA receptor, AMPA/Kainate receptor, and mGlu receptor antagonist, respectively, to elucidate the glutamatergic modulation in apomorphine-induced eopaminergic activation in mice. Drugs were administered intracerebroventricularly (i.c.v.) into the mouse brain 15 min before the apomorphine treatment (2 mg/kg, s.c.). 1.c.v. injection of MK-801 inhibited the apomorphine-induced cage climbing behavior dose-dependently. However, treatments with CNQX and MCPG did not any significant change in apomorphine-induced cage climbing behavior in mice. These results suggest that stimulation of NMDA type of glutamate receptors could contribute to the dopaminergic sti mutation, but not AMPA/Kainate and mGlu type glutamate receptors.
To investigate the neurobiological bases of learning and memory is one of the ambitious goals of modern neuroscience. The progress in this field of recent years has not only brought us closer to understanding the molecular mechanism underlying long-lasting changes in synaptic strength, but it has also provided further evidence that these mechanisms are required for memory formation. Since twenty years ago, several studies for the tests of the hypothesis that NMDA-dependent hippocampal long-term potentiation(LTP) underlies learning have been reported. Also, in the recent year, data from mutant mice showed that a potential role for NMDA-dependent LTP in hippocampal CA1 and spatial learning. Although the current evidence for the role of NMDA receptor in learning and memory is not still obvious, NMDA receptor seems to act as a critical switch for activation of a cascade of events that underlie synaptic plasticity.
N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are ionic glutamine receptors involved in brain development and functions such as learning and memory formation. NMDA receptor inhibition is associated with autophagy activation. In this study, we investigated whether the NMDA receptor antagonists, memantine and ifenprodil, induce autophagy in human retinal pigment epithelial cells (ARPE-19) to remove N-retinylidene-N-retinylethanolamine (A2E), an intracellular lipofuscin component. Fluorometric analysis using labeled A2E (A2E-BDP) and confocal microscopic examination revealed that low concentrations of NMDA receptor antagonists, which did not induce cytotoxicity, significantly reduced A2E accumulation in ARPE-19 cells. In addition, memantine and ifenprodil activated autophagy in ARPE-19 cells as measured by microtubule-associated protein 1A/1B-light chain3-II formation and phosphorylated p62 protein levels. Further, to understand the correlation between memantine- and ifenprodil-mediated A2E degradation and autophagy, autophagy-related 5 (ATG5) was depleted using RNA interference. Memantine and ifenprodil failed to degrade A2E in ARPE-19 cells lacking ATG5. Taken together, our study indicates that the NMDA receptor antagonists, memantine and ifenprodil, can remove A2E accumulated in cells via autophagy activation in ARPE-19 cells.
It has been well documented that transient forebrain global ischemia causes selective neuronal degeneration in hippocampal CA1 pyramidal neurons with a delay of a few days. The mechanism of this delayed hippocampal CA1 pyramidal neuronal death (DND) is still controversial. To delineate the mechanisms of the DND, the effects of treatment with MK-801, an NMDA receptor antagonist, kynurenic acid, a NMDA/non-NMDA receptor antagonist, and/or cycloheximide, a protein synthesis inhibitor, on the DND were investigated in male Wistar rats. To examine the participation of apoptotic neuronal death in the DND, TUNEL staining was performed in ischemic brain section. Global ischemia was induced by 4-vessel occlusion for 20 min. All animals in this study showed the DND 3 and 7 days after the ischemic insult. The DND that occured 3 days and 7 days after the ischemia were not affected by pretreatment with MK-801 (1 mg/kg), but markedly attenuated by the pretreatment with kynurenic acid (500 mg/kg). Treatment with cycloheximide (1 mg/kg) also markedly inhibited the DND. The magnitudes of attenuation by the two drugs were similar. The magnitude of attenuation by co-treatments with kynurenic acid and cycloheximide was not greater than that with any single treatment. TUNEL staining was negative in the sections obtained 1 or 2 days after the ischemic insults, but it was positive at hippocampal CA1 pyramidal cells in sections collected 3 days after the ischemia. These results suggested that the DND should be mediated by the activation of non-NMDA receptor, not by the activation of NMDA receptor and that the activation of AMPA receptor should induce the apoptotic process in the DND.
Glutamate is one of the principle transmitters in the CNS. Ionotropic receptors of glutamate, selectively activated by N-methyl-D-aspartate (NMDA), play an important role in the processes of cell development, learning, memory, and etc. On the other hand, many studies discovered that over-activation of glutamate receptors leads to neurodegeneration and are known to be implicated in major areas of brain pathology. Any sustained effect of a transient NMDA receptor activation is likely to involve signaling to the nucleus and to trigger coordinated changes in gene expression. Classically, a set of immediate-early genes are induced first; some of genes are by themselves transcription factors that control expression of other target genes. This study provides understanding of changes of inducible transcription factors mRNA levels with RT-PCR by inducing over-activation of NMDA receptor with intraperitoneal NMDA injection. The experimental conditions were varied by 1, 5, 25, and 125 g/ of body weight NMDA and measured transcription factors mRNA levels are Egr-1, c-Jun, JunB, and FosB. Based on result obtained, inducible transcription factors mRNA in NMDA injection to mice with 5 g/body weight showed the greatest change. And ITF mRNA showed greatest change 24 hr after injection. The expression level of JunB mRNA was markedly changed. Up to the present days, no study clearly understood how ITF mRNA affected the apoptosis of purkinje cells in the cerebellum. The current study improves the understanding of the mechanism of apoptosis of purkinje cells in the cerebellum.
Epilepsy or the occurrence of spontaneous recurrent epileptiform discharges (SREDs, seizures) is one of the most common neurological disorders. Shift in the balance of brain between excitatory and inhibitory functions due to different types of structural or functional alterations may cause epileptiform discharges. N-Methyl-D-aspartate (NMDA) receptor dysfunctions have been implicated in modulating seizure activities. Seizures and epilepsy are clearly dependent on elevated intracellular calcium concentration ([C $a^{2+}$]$_{i}$ ) by NMDA receptor activation and can be prevented by NMDA antagonists. This perturbed [C $a^{2+}$]$_{i}$ levels is forerunner of neuronal death. However, therapeutic tools of elevated [C $a^{2+}$]$_{i}$ level during status epilepticus (SE) and SREDs have not been discovered yet. Our previous study showed fast inhibition of ginseng total saponins and ginsenoside R $g_3$ on NMDA receptor-mediated [C $a^{2+}$]$_{i}$ in cultured hippocampal neurons. We, therefore, examined the direct modulation of ginseng on hippocampal neuronal culture model of epilepsy using fura-2-based digital $Ca^{2+}$ imaging and neuronal viability assays. We found that ginseng total saponins and ginsenoside R $g_3$ inhibited $Mg^{2+}$ free-induced increase of [C $a^{2+}$]$_{i}$ and spontaneous [C $a^{2+}$]$_{i}$ oscillations in cultured rat hippocampal neurons. These results suggest that ginseng may playa neuroprotective role in perturbed homeostasis of [C $a^{2+}$]$_{i}$ and neuronal cell death via the inhibition of NMDA receptor-induced SE or SREDs.d SE or SREDs..
Background: Several studies have indicated that a nerve injury enhances the expression of the voltage-gated calcium channel ${\alpha}2{\delta}1$ subunit (Cav ${\alpha}2{\delta}1$) in sensory neurons and the dorsal spinal cord. This study examined whether NMDA receptor activation is essential for Cav ${\alpha}2{\delta}1$-mediated tactile allodynia in Cav ${\alpha}2{\delta}1$ overexpressing transgenic mice and L5/6 spinal nerve ligated rats (SNL). These two models show similar Cav ${\alpha}2{\delta}1$ upregulation and behavioral hypersensitivity, without and with the presence of other injury factors, respectively. Methods: The transgenic (TG) mice were generated as described elsewhere (Feng et al., 2000). The left L5/6 spinal nerves in the Harlan Sprague Dawley rats were ligated tightly (SNL) to induce neuropathic pain, as described by Kim et al. (1992). Memantine 2 mg/kg (10 ul) was injected directly into the L5/6 spinal region followed by $10{\mu}l$ saline. Tactile allodynia was tested for any mechanical hypersensitivity. Results: The tactile allodynia in the SNL rats could be reversed by an intrathecal injection of memantine 2 mg/kg at 1.5 hours. The tactile allodynia in the Cav ${\alpha}2{\delta}1$ over-expressing TG mice could be reversed by an intrathecal injection of memantine 2 mg/kg at 1.5, 2.0 and 2.5 hours. Conclusions: The behavioral hypersensitivity was similar in the TG mice and nerve injury pain model, supporting the hypothesis that elevated Cav ${\alpha}2{\delta}1$ mediates similar pathways that underlie the pain states in both models. The selective activation of spinal NMDA receptors plays a key role in mediating the pain states in both the nerve-injury rats and TG mice.
Adil, Keremkleroo Jym;Remonde, Chilly Gay;Gonzales, Edson Luck;Boo, Kyung-Jun;Kwon, Kyong Ja;Kim, Dong Hyun;Kim, Hee Jin;Cheong, Jae Hoon;Shin, Chan Young;Jeon, Se Jin
Biomolecules & Therapeutics
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v.30
no.4
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pp.320-327
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2022
Neurodevelopmental disorders are complex conditions that pose difficulty in the modulation of proper motor, sensory and cognitive function due to dysregulated neuronal development. Previous studies have reported that an imbalance in the excitation/inhibition (E/I) in the brain regulated by glutamatergic and/or GABAergic neurotransmission can cause neurodevelopmental and neuropsychiatric behavioral deficits such as autism spectrum disorder (ASD). NMDA acts as an agonist at the NMDA receptor and imitates the action of the glutamate on that receptor. NMDA however, unlike glutamate, only binds to and regulates the NMDA receptor subtypes and not the other glutamate receptors. This study seeks to determine whether NMDA administration in mice i.e., over-activation of the NMDA system would result in long-lasting behavioral deficits in the adolescent mice. Both gender mice were treated with NMDA or saline at early postnatal developmental period with significant synaptogenesis and synaptic maturation. On postnatal day 28, various behavioral experiments were conducted to assess and identify behavioral characteristics. NMDA-treated mice show social deficits, and repetitive behavior in both gender mice at adolescent periods. However, only the male mice but not female mice showed increased locomotor activity. This study implies that neonatal exposure to NMDA may illicit behavioral features similar to ASD. This study also confirms the validity of the E/I imbalance theory of ASD and that NMDA injection can be used as a pharmacologic model for ASD. Future studies may explore the mechanism behind the gender difference in locomotor activity as well as the human relevance and therapeutic significance of the present findings.
Korean red ginseng (KRG) is a valuable and important traditional medicine in East Asian countries and is currently used extensively for botanical products in the world. KRG has both stimulatory and inhibitory effects on the central nervous system (CNS) suggesting its complicated action mechanisms. The substantia gelatinosa (SG) neurons of the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) are involved in orofacial nociceptive processing. Some studies reported that KRG has antinociceptive effects, but there are few reports of the functional studies of KRG on the SG neurons of the Vc. In this study, a whole cell patch clamp study was performed to examine the action mechanism of a KRG extract on the SG neurons of the Vc from juvenile mice. KRG induced short-lived and repeatable inward currents on all the SG neurons tested in the high chloride pipette solution. The KRG-induced inward currents were concentration dependent and were maintained in the presence of tetrodotoxin, a voltage gated $Na^+$ channel blocker. The KRG-induced inward currents were suppressed by 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione, a non-N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptor antagonist and/or picrotoxin, a gamma-aminobutyric acid $(GABA)_A$ receptor antagonist. However, the inward currents were not suppressed by d,l-2-amino-5-phosphonopentanoic acid, an NMDA receptor antagonist. These results show that KRG has excitatory effects on the SG neurons of the Vc via the activation of non-NMDA glutamate receptor as well as an inhibitory effect by activation of the $GABA_A$ receptor, indicating the KRG has both stimulatory and inhibitory effects on the CNS. In addition, KRG may be a potential target for modulating orofacial pain processing.
These studies were designed to examine the differential effect of nitric oxide (NO) and cGMP on glutamate neurotransmission. In primary cultures of rat cerebellar granule cells, the glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspartate (NMDA) stimulates the elevation of intracellular calcium concentration ($[Ca^{2+}]_i$), the release of glutamate, the synthesis of NO and an increase of cGMP. Although NO has been shown to stimulate guanylyl cyclase, it is unclear yet whether NO alters the NMDA-induced glutamate release and ${[Ca^{2+}]}_i$ elevation. We showed that the NO synthase inhibitor, NG-monomethyl-L-arginine (NMMA), partially prevented the NMDA-induced release of glutamate and elevation of ${[Ca^{2+}]}_i$ and completely blocked the elevation of cGMP. These effects of NO on glutamate release and [Ca2+]i elevation were unlikely to be secondary to cGMP as the cGMP analogue, dibutyryl cGMP (dBcGMP), did not suppress the effects of NMDA. Rather, dBcGMP slightly augmented the NMDA-induced elevation of ${[Ca^{2+}]}_i$ with no change in the basal level of glutamate or ${[Ca^{2+}]}_i$. The extracellular NO scavenger hydroxocobalamine prevented the NMDA-induced release of glutamate providing indirect evidence that the effect of NO may act on the NMDA receptor. These results suggest that low concentration of NO has a role in maintaining the NMDA receptor activation in a cGMP-independent manner.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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