The endogenous cannabinoids (endocannabinoids) are lipid molecules that may mediate retrograde signaling at central synapses and other forms of short-range neuronal communication. The monoglyceride 2-arachidonoylglycerol (2-AG) meets several criteria of an endocannabinoid substance: ( i ) it activates cannabinoid receptors; ( ii ) it is produced by neurons in an activity-dependent manner; and ( iii ) it is rapidly eliminated. 2-AG inactivation is only partially understood, but it may occur by transport into cells and enzymatic hydrolysis. Here we tested the hypothesis that monoglyceride lipase (MGL), a serine hydrolase that converts monoglycerides to fatty acid and glycerol, participates in 2-AG inactivation. We cloned MGL by homology from a rat brain cDNA library. Its cDNA sequence encoded for a 303-aa protein with a calculated molecular weight of 33,367 daltons. Northern blot and in situ hybridization analyses revealed that MGL mRNA is heterogeneously expressed in the rat brain, with highest levels in regions where CB 1 cannabinoid receptors are also present (hippocampus, cortex, anterior thalamus, and cerebellum). Immunohistochemical studies in the hippocampus showed that MGL distribution has striking laminar specificity, suggesting a presynaptic localization of the enzyme. Adenovirus-mediated transfer of MGL cDNA into rat cortical neurons increased MGL expression and attenuated N -methyl-D-aspartate/carbachol-induced 2-AG accumulation in these cells. No such effect was observed on the accumulation of anandamide, another endocannabinoid lipid. The results suggest that hydrolysis by means of MGL is a primary mechanism for 2-AG inactivation in intact neurons.

To understand the functional significance and mechanisms of action in the CNS of endogenous and exogenous cannabinoids, it is crucial to identify the neural elements that serve as the structural substrate of these actions. We used a recently developed antibody against the CB1 cannabinoid receptor to study this question in hippocampal networks. Interneurons with features typical of basket cells showed a selective, intense staining for CB1 in all hippocampal subfields and layers. Most of them (85.6%) contained cholecystokinin (CCK), which corresponded to 96.9% of all CCK-positive interneurons, whereas only 4.6% of the parvalbumin (PV)-containing basket cells expressed CB1. Accordingly, electron microscopy revealed that CB1-immunoreactive axon terminals of CCK-containing basket cells surrounded the somata and proximal dendrites of pyramidal neurons, whereas PV-positive basket cell terminals in similar locations were negative for CB1. The synthetic cannabinoid agonist WIN 55,212-2 (0.01–3 μ m ) reduced dose-dependently the electrical field stimulation-induced [ 3 H]GABA release from superfused hippocampal slices, with an EC 50 value of 0.041 μ m . Inhibition of GABA release by WIN 55,212-2 was not mediated by inhibition of glutamatergic transmission because the WIN 55,212-2 effect was not reduced by the glutamate blockers AP5 and CNQX. In contrast, the CB1 cannabinoid receptor antagonist SR 141716A (1 μ m ) prevented this effect, whereas by itself it did not change the outflow of [ 3 H]GABA. These results suggest that cannabinoid-mediated modulation of hippocampal interneuron networks operate largely via presynaptic receptors on CCK-immunoreactive basket cell terminals. Reduction of GABA release from these terminals is the likely mechanism by which both endogenous and exogenous CB1 ligands interfere with hippocampal network oscillations and associated cognitive functions.

Hippocampal synaptic inhibition is mediated by distinct groups of inhibitory cells. Some contact pyramidal cells perisomatically, while others terminate exclusively on their dendrites. We examined perisomatic and dendritic inhibition by recording from CA3 inhibitory and pyramidal cells and injecting biocytin to visualize both cells in light and electron microscopy. Single perisomatic inhibitory cells made 2–6 terminals clustered around the soma and proximal pyramidal cell processes. Dendritic cells established 5–17 terminals, usually on different dendrites of a pyramidal cell. Perisomatic terminals were larger than those facing dendritic membrane. Perisomatic inhibitory cells initiated the majority of simultaneous IPSPs seen in nearby pyramidal cells. Single IPSPs initiated by perisomatic inhibitory cells could suppress repetitive discharge of sodium-dependent action potentials. Activation of inhibitory fibers terminating on dendrites could suppress calcium-dependent spikes. Thus, distinct inhibitory cells may differentially control dendritic electro- genesis and axonal output of hippocampal pyramidal cells.

The integrative properties of neurons depend strongly on the number, proportions and distribution of excitatory and inhibitory synaptic inputs they receive. In this study the three-dimensional geometry of dendritic trees and the density of symmetrical and asymmetrical synapses on different cellular compartments of rat hippocampal CA1 area pyramidal cells was measured to calculate the total number and distribution of excitatory and inhibitory inputs on a single cell. A single pyramidal cell has ∼12,000 μm dendrites and receives around 30,000 excitatory and 1700 inhibitory inputs, of which 40% are concentrated in the perisomatic region and 20% on dendrites in the stratum lacunosum-moleculare. The pre- and post-synaptic features suggest that CA1 pyramidal cell dendrites are heterogeneous. Strata radiatum and oriens dendrites are similar and differ from stratum lacunosum-moleculare dendrites. Proximal apical and basal strata radiatum and oriens dendrites are spine-free or sparsely spiny. Distal strata radiatum and oriens dendrites (forming 68.5% of the pyramidal cells’ dendritic tree) are densely spiny; their excitatory inputs terminate exclusively on dendritic spines, while inhibitory inputs target only dendritic shafts. The proportion of inhibitory inputs on distal spiny strata radiatum and oriens dendrites is low (∼3%). In contrast, proximal dendritic segments receive mostly (70–100%) inhibitory inputs. Only inhibitory inputs innervate the somata (77–103 per cell) and axon initial segments. Dendrites in the stratum lacunosum-moleculare possess moderate to small amounts of spines. Excitatory synapses on stratum lacunosum-moleculare dendrites are larger than the synapses in other layers, are frequently perforated (∼40%) and can be located on dendritic shafts. Inhibitory inputs, whose percentage is relatively high (∼14–17%), also terminate on dendritic spines. Our results indicate that: (i) the highly convergent excitation arriving onto the distal dendrites of pyramidal cells is primarily controlled by proximally located inhibition; (ii) the organization of excitatory and inhibitory inputs in layers receiving Schaffer collateral input (radiatum/oriens) versus perforant path input (lacunosum-moleculare) is significantly different.

Tyrosine hydroxylase-immunoreactive fibres in the rat neostriatum were studied in the electron microscope in order to determine the nature of the contacts they make with other neural elements. The larger varicose parts of such fibres contained relatively few vesicles and rarely displayed synaptic membrane specializations; however, thinner parts of axons (0.1–0.4 μm) contained many vesicles and had symmetrical membrane specializations, indicative of en passant type synapses. By far the most common postsynaptic targets of tyrosine hydroxylase-immunoreactive boutons were dendritic spines and shafts, although neuronal cell bodies and axon initial segments also received such input. Six striatonigral neurons in the ventral striatum were identified by retrograde labelling with horseradish peroxidase and their dendritic processes were revealed by Golgi impregnation using the section-Golgi procedure. The same sections were also developed to reveal tyrosine hydroxylase immunoreactivity and so we were able to study immunoreactive boutons in contact with the Golgi-impregnated striatonigral neurons. Each of the 280 immunoreactive boutons examined in the electron microscope displayed symmetrical synaptic membrane specializations: 59% of the boutons were in synaptic contact with the dendritic spines, 35% with the dendritic shafts and 6% with the cell bodies of striatonigral neurons. The dendritic spines of striatonigral neurons that received input from immunoreactive boutons invariably also received input, usually more distally, from unstained boutons that formed asymmetrical synaptic specializations. A study of 87 spines along the dendrites of an identified striatonigral neuron showed that the most common type of synaptic input was from an individual unstained bouton making asymmetrical synaptic contact (53%), while 39% of the spines received one asymmetrical synapse and one symmetrical immunoreactive synapse. It is proposed that the spatial distribution of presumed dopaminergic terminals in synaptic contact with different parts of striatonigral neurons has important functional implications. Those synapses on the cell body and proximal dendritic shafts might mediate a relatively non-selective inhibition. In contrast, the major dopaminergic input that occurs on the necks of dendritic spines is likely to be highly selective since it could prevent the excitatory input to the same spines from reaching the dendritic shaft. One of the main functions of dopamine released from nigrostriatal fibres might thus be to alter the pattern of firing of striatal output neurons by regulating their input.

Dentate granule cells communicate with their postsynaptic targets by three distinct terminal types. These include the large mossy terminals, filopodial extensions of the mossy terminals, and smaller en passant synaptic varicosities. We examined the postsynaptic targets of mossy fibers by combining in vivo intracellular labeling of granule cells, immunocytochemistry, and electron microscopy. Single granule cells formed large, complex “mossy” synapses on 11–15 CA3 pyramidal cells and 7–12 hilar mossy cells. In contrast, GABAergic interneurons, identified with immunostaining for substance P-receptor, parvalbumin, and mGluR1a-receptor, were selectively innervated by very thin (filopodial) extensions of the mossy terminals and by small en passant boutons in both the hilar and CA3 regions. These terminals formed single, often perforated, asymmetric synapses on the cell bodies, dendrites, and spines of GABAergic interneurons. The number of filopodial extensions and small terminals was 10 times larger than the number of mossy terminals. These findings show that in contrast to cortical pyramidal neurons, (1) granule cells developed distinct types of terminals to affect interneurons and pyramidal cells and (2) they innervated more inhibitory than excitatory cells. These findings may explain the physiological observations that increased activity of granule cells suppresses the overall excitability of the CA3 recurrent system and may form the structural basis of the target-dependent regulation of glutamate release in the mossy fiber system.

Cannabinoids are the most popular illicit drugs used for recreational purposes worldwide. However, the neurobiological substrate of their mood-altering capacity has not been elucidated so far. Here we report that CB1 cannabinoid receptors are expressed at high levels in certain amygdala nuclei, especially in the lateral and basal nuclei, but are absent in other nuclei (e.g., in the central nucleus and in the medial nucleus). Expression of the CB1 protein was restricted to a distinct subpopulation of GABAergic interneurons corresponding to large cholecystokinin-positive cells. Detailed electron microscopic investigation revealed that CB1 receptors are located presynaptically on cholecystokinin-positive axon terminals, which establish symmetrical GABAergic synapses with their postsynaptic targets. The physiological consequence of this particular anatomical localization was investigated by whole-cell patch-clamp recordings in principal cells of the lateral and basal nuclei. CB1 receptor agonists WIN 55,212–2 and CP 55,940 reduced the amplitude of GABA_A receptor-mediated evoked and spontaneous IPSCs, whereas the action potential-independent miniature IPSCs were not significantly affected. In contrast, CB1 receptor agonists were ineffective in changing the amplitude of IPSCs in the rat central nucleus and in the basal nucleus of CB1 knock-out mice. These results suggest that cannabinoids target specific elements in neuronal networks of given amygdala nuclei, where they presynaptically modulate GABAergic synaptic transmission. We propose that these anatomical and physiological features, characteristic of CB1 receptors in several forebrain regions, represent the neuronal substrate for endocannabinoids involved in retrograde synaptic signaling and may explain some of the emotionally relevant behavioral effects of cannabinoid exposure.

Fatty acid amide hydrolase (FAAH) and monoglyceride lipase (MGL) catalyse the hydrolysis of the endocannabinoids anandamide and 2-arachidonoyl glycerol. We investigated their ultrastructural distribution in brain areas where the localization and effects of cannabinoid receptor activation are known. In the hippocampus, FAAH was present in somata and dendrites of principal cells, but not in interneurons. It was located mostly on the membrane surface of intracellular organelles known to store Ca(2+) (e.g. mitochondria, smooth endoplasmic reticulum), less frequently on the somatic or dendritic plasma membrane. MGL immunoreactivity was found in axon terminals of granule cells, CA3 pyramidal cells and some interneurons. In the cerebellum, Purkinje cells and their dendrites are intensively immunoreactive for FAAH, together with a sparse axon plexus at the border of the Purkinje cell/granule cell layers. Immunostaining for MGL was complementary, the axons in the molecular layer were intensively labelled leaving the Purkinje cell dendrites blank. FAAH distribution in the amygdala was similar to that of the CB(1) cannabinoid receptor: evident signal in neuronal somata and proximal dendrites in the basolateral nucleus, and hardly any labelling in the central nucleus. MGL staining was restricted to axons in the neuropil, with similar relative signal intensities seen for FAAH in different nuclei. Thus, FAAH is primarily a postsynaptic enzyme, whereas MGL is presynaptic. FAAH is associated with membranes of cytoplasmic organelles. The differential compartmentalization of the two enzymes suggests that anandamide and 2-AG signalling may subserve functional roles that are spatially segregated at least at the stage of metabolism.

Endocannabinoids play central roles in retrograde signaling at a wide variety of synapses throughout the CNS. Although several molecular components of the endocannabinoid system have been identified recently, their precise location and contribution to retrograde synaptic signaling is essentially unknown. Here we show, by using two independent riboprobes, that principal cell populations of the hippocampus express high levels of diacylglycerol lipase α (DGL-α), the enzyme involved in generation of the endocannabinoid 2-arachidonoyl-glycerol (2-AG). Immunostaining with two independent antibodies against DGL-α revealed that this lipase was concentrated in heads of dendritic spines throughout the hippocampal formation. Furthermore, quantification of high-resolution immunoelectron microscopic data showed that this enzyme was highly compartmentalized into a wide perisynaptic annulus around the postsynaptic density of axospinous contacts but did not occur intrasynaptically. On the opposite side of the synapse, the axon terminals forming these excitatory contacts were found to be equipped with presynaptic CB 1 cannabinoid receptors. This precise anatomical positioning suggests that 2-AG produced by DGL-α on spine heads may be involved in retrograde synaptic signaling at glutamatergic synapses, whereas CB 1 receptors located on the afferent terminals are in an ideal position to bind 2-AG and thereby adjust presynaptic glutamate release as a function of postsynaptic activity. We propose that this molecular composition of the endocannabinoid system may be a general feature of most glutamatergic synapses throughout the brain and may contribute to homosynaptic plasticity of excitatory synapses and to heterosynaptic plasticity between excitatory and inhibitory contacts.