網膜原生殖器およびコルチコゲン化シナプス機能の電気生理学的調査
Summary
ここでは、横性属核を含む急性脳スライスの調製のためのプロトコルと、網膜原生殖器およびコルチコゲニキュレートシナプス機能の電気生理学的調査を行う。このプロトコルは、同じ急性脳スライスの高放出および低放出確率でシナプスを研究する効率的な方法を提供します。
Abstract
横性属核は、視覚情報のための最初の中継局である。このカラミック核のリレーニューロンは、甲状動脈神経節細胞からの入力を統合し、視覚皮質に投影します。さらに、リレーニューロンは皮質からトップダウン励起を受ける。リレーニューロンへの2つの主要な興奮性入力は、いくつかの側面で異なります。各リレーニューロンは、多くの放出部位を持つ大きな端末である少数のレチノジェニキュレートシナプスからの入力を受け取ります。これは、比較可能に強い励起によって反映され、リレーニューロンは、再生神経節細胞から受け取る。コルチコゲンシナプスは、対照的に、少数の放出部位と弱いシナプス強度でより単純である。2つのシナプスはまた、シナプスの短期可塑性が異なります。レチノゲンシナプスは放出確率が高く、短期的なうつ病を示す。対照的に、コルチコゲンシナプスは、低い放出確率を持っています。コルチコゲン化繊維は、側側属核に入る前に網状の視体核を横断する。網状のカラミック核(横型属核からrosalal)と視管(側側属核からの心室)の異なる位置は、別々にコルチコゲニキュレートまたは網膜原性シナプスを刺激することを可能にする細胞外刺激電極で。これにより、横型属核は、同じ細胞型に衝突する非常に異なる特性を有する2つの興奮性シナプスが同時に研究できる理想的な脳領域となる。ここでは、リレーニューロンからの記録を調べ、急性脳スライスにおける網膜原生細胞およびコルチコゲン化シナプス機能の詳細な分析を行う方法について述べ取る。この記事には、側方属核の急性脳スライスの生成のためのステップバイステッププロトコルと、視管とコルチコゲン細胞を別々に刺激することにより中継ニューロンからの活性を記録するためのステップが含まれています。
Introduction
横性核のリレーニューロンは、視覚皮質に視覚情報を統合し、中継します。これらのニューロンは、リレーニューロンの主な興奮性ドライブを提供するレチノジェニキュレートシナプスを介して神経節細胞から興奮性入力を受け取ります。さらに、リレーニューロンは皮質源細胞シナプスを介して皮質ニューロンから興奮性入力を受け取ります。さらに、リレーニューロンは、局所的な神経間ニューロンおよびGABAergicニューロンからの阻害性入力を受け取り、核網状のタラミ1.核網膜タラミは、皮質から視床に突出する繊維が、反対方向にタラミ2の核を通過しなければならないように、視床と皮質の間のシールドのように存在する。
レチノゲン化入力およびコルチコジェニキュレート入力は、異なるシナプス特性3、4、5、6、7、8を表示する。レチノゲン化入力は、複数のリリースサイト9、10を持つ大きな端末を形成します。対照的に、コルチコジェニキュレート入力は、単一のリリースサイト7を持つ小さな端子を表示します。さらに、リレーニューロン3、8、11上のすべてのシナプスのわずか5−10%を構成しているにもかかわらず、レチノゲンシナプスはリレーニューロンの作用電位を効率的に駆動する。コルチコゲンシナプスは、一方、リレーニューロン12、13の膜電位を制御することによって網膜原性伝達の調節剤として機能する。
中継ニューロンに対するこれら2つの主要な興奮性入力も機能的に異なる。1つの顕著な違いは、網膜原性シナプスの短期的なうつ病とコルチコゲン化シナプス3、5、8の短期的な促進である。短期的な可塑性とは、シナプスが数ミリ秒から数秒の期間内に繰り返し活性になるとシナプス強度が変化する現象を指します。シナプス放出確率は、短期的な可塑性の基礎となる重要な要因です。シナプスは、初期放出確率が低く、シナプス前にCa2+が蓄積されたため短期的な円滑化を示し、その結果、繰り返し活動を行った場合に放出確率の上昇が観察される。対照的に、高放出確率のシナプスは、通常、既製の小胞14の枯渇による短期的なうつ病を示す。さらに、後のシナプティック受容体の脱感作は、いくつかの高放出確率シナプス8、15における短期的な可塑性に寄与する。α-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソキサゾレプロピオン酸(AMPA)受容体の高放出確率および脱感感本化は、レチノゲニルシナプスの顕著な短期的うつ病に寄与する。対照的に、低放出確率は、コルチコゲンシナプスの短期的な促進の下にある。
マウスでは、視管は経側部位から後側側属核(dLGN)に入り、コルチコゲン核化繊維はdLGNロストロベントラリーに入る。2 つの入力間の距離は、同じセルに衝突する 2 つの非常に異なる興奮性入力の個々のプロパティの調査を可能にします。ここでは、網膜原生殖およびコルチコジェニキュレート繊維が急性脳スライス3に保存される前述の解剖方法を構築し、改善する。次に、リレーニューロンの電気生理学的調査と、細胞外刺激電極を用いて網膜原生殖およびコルチコジェニキュレート繊維の刺激について説明する。最後に、バイオシチンとその後の解剖分析を用いたリレーニューロンの充填のためのプロトコルを提供する。
Protocol
Representative Results
Discussion
我々は、以前に公開された方法3に基づいて改善されたプロトコルを説明し、同じスライスからの放出レチノゲンシナプスの高い確率および放出コルチコゲンシナプスの低い確率の調査を可能にする。これは、これら2つの入力が視覚的な信号伝達を調節するために相互に作用するので非常に重要です:レチノジェニキュレート入力はリレーニューロンの主な興奮駆動であり、?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ドイツ研究財団(DFG)が共同研究センター(SFB)1134「機能アンサンブル」(J.v.E.およびX.C.)および研究助成金EN948/1-2(J.v.E.)内で資金提供を受けています。
Materials
| Amplifier | HEKA Elektronik | EPC 10 USB Double patch clamp amplifier | |
| Biocytin | Sigma-Aldrich | B4261-250MG | |
| CaCl2 | EMSURE | 1.02382.1000 | |
| choline chloride | Sigma-Aldrich | C1879-1KG | |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Leica Microsystems | TCS SP5 | |
| CsCl | EMSURE | 1.02038.0100 | |
| Cs-gluconate | Self-prepared | Since there was no commercial Cs-gluconate, we prepared it by ourselves | |
| D-600 | Sigma-Aldrich | M5644-50MG | methoxyverapamil hydrochloride |
| D-APV | Biotrend | BN0085-100 | NMDA-receptor antagonist |
| Digital camera for microscope | Olympus | XM10 | |
| EGTA | SERVA | 11290.02 | |
| Forene | Abbvie | 2594.00.00 | isoflurane |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 49159-1KG | |
| HEPES | ROTH | 9105.2 | |
| High Current Stimulus Isolator | World Precision Instruments | A385 | |
| KCl | EMSURE | 1.04936.1000 | |
| MgCl2 | EMSURE | 1.05833.0250 | |
| Micromanipulators | Luigs & Neumann | SM7 | |
| Miroscope | Olympus | BX51 | |
| mounting medium | ThermoFisher Scientific | P36930 | Prolong Gold Invitrogen |
| NaCl | ROTH | 3957.1 | |
| NaH2PO4 | EMSURE | 1.06346.1000 | |
| NaHCO3 | EMSURE | 1.06329.1000 | |
| Pipette | Hilgenberg | 1807502 | |
| Puller | Sutter | P-1000 | |
| razor blade | Personna | 60-0138 | |
| Semiautomatic Vibratome | Leica Biosystems | VT1200S | |
| SR 95531 hydrobromide | Biotrend | AOB5680-10 | GABAA-receptor antagonist |
References
- Guido, W. Development, form, and function of the mouse visual thalamus. Journal of Neurophysiology. 120, 211-225 (2018).
- Guillery, R. W., Feig, S. L., Lozsadi, D. A. Paying attention to the thalamic reticular nucleus. Trends in Neurosciences. 21, 28-32 (1998).
- Turner, J. P., Salt, T. E. Characterization of sensory and corticothalamic excitatory inputs to rat thalamocortical neurones in vitro. The Journal of Physiology. 510 (3), 829-843 (1998).
- Lindstrom, S., Wrobel, A. Frequency dependent corticofugal excitation of principal cells in the cat’s dorsal lateral geniculate nucleus. Experimental Brain Research. 79, 313-318 (1990).
- Granseth, B., Ahlstrand, E., Lindstrom, S. Paired pulse facilitation of corticogeniculate EPSCs in the dorsal lateral geniculate nucleus of the rat investigated in vitro. The Journal of Physiology. 544, 477-486 (2002).
- Hamos, J. E., Van Horn, S. C., Raczkowski, D., Uhlrich, D. J., Sherman, S. M. Synaptic connectivity of a local circuit neurone in lateral geniculate nucleus of the cat. Nature. 317, 618-621 (1985).
- Kielland, A., et al. Activity patterns govern synapse-specific AMPA receptor trafficking between deliverable and synaptic pools. Neuron. 62, 84-101 (2009).
- Chen, C., Regehr, W. G. Developmental remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 28, 955-966 (2000).
- Budisantoso, T., Matsui, K., Kamasawa, N., Fukazawa, Y., Shigemoto, R. Mechanisms underlying signal filtering at a multisynapse contact. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 32, 2357-2376 (2012).
- Morgan, J. L., Berger, D. R., Wetzel, A. W., Lichtman, J. W. The Fuzzy Logic of Network Connectivity in Mouse Visual Thalamus. Cell. 165, 192-206 (2016).
- Usrey, W. M., Reppas, J. B., Reid, R. C. Paired-spike interactions and synaptic efficacy of retinal inputs to the thalamus. Nature. 395, 384-387 (1998).
- Steriade, M., Jones, E. G., McCormick, D. A. . Thalamus. , (1997).
- Wang, W., Jones, H. E., Andolina, I. M., Salt, T. E., Sillito, A. M. Functional alignment of feedback effects from visual cortex to thalamus. Nature Neuroscience. 9, 1330-1336 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Review of Physiology. 64, 355-405 (2002).
- Chen, C., Blitz, D. M., Regehr, W. G. Contributions of receptor desensitization and saturation to plasticity at the retinogeniculate synapse. Neuron. 33, 779-788 (2002).
- Chen, X., Aslam, M., Gollisch, T., Allen, K., von Engelhardt, J. CKAMP44 modulates integration of visual inputs in the lateral geniculate nucleus. Nature Communications. 9, 261 (2018).
- Krahe, T. E., El-Danaf, R. N., Dilger, E. K., Henderson, S. C., Guido, W. Morphologically distinct classes of relay cells exhibit regional preferences in the dorsal lateral geniculate nucleus of the mouse. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 31, 17437-17448 (2011).
- von Engelhardt, J., et al. CKAMP44: a brain-specific protein attenuating short-term synaptic plasticity in the dentate gyrus. Science. 327, 1518-1522 (2010).
- Khodosevich, K., et al. Coexpressed auxiliary subunits exhibit distinct modulatory profiles on AMPA receptor function. Neuron. 83, 601-615 (2014).
- Farrow, P., et al. Auxiliary subunits of the CKAMP family differentially modulate AMPA receptor properties. eLife. 4, e09693 (2015).
- Rafols, J. A., Valverde, F. The structure of the dorsal lateral geniculate nucleus in the mouse. A Golgi and electron microscopic study. The Journal of Comparative Neurology. 150, 303-332 (1973).
- Hauser, J. L., Liu, X., Litvina, E. Y., Chen, C. Prolonged synaptic currents increase relay neuron firing at the developing retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 112, 1714-1728 (2014).
- Hooks, B. M., Chen, C. Distinct roles for spontaneous and visual activity in remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 52, 281-291 (2006).
- Liu, X., Chen, C. Different roles for AMPA and NMDA receptors in transmission at the immature retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 99, 629-643 (2008).
- Govindaiah, G., Cox, C. L. Metabotropic glutamate receptors differentially regulate GABAergic inhibition in thalamus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 26, 13443-13453 (2006).
- Fogerson, P. M., Huguenard, J. R. Tapping the Brakes: Cellular and Synaptic Mechanisms that Regulate Thalamic Oscillations. Neuron. 92, 687-704 (2016).
- Jacobsen, R. B., Ulrich, D., Huguenard, J. R. GABA(B) and NMDA receptors contribute to spindle-like oscillations in rat thalamus in vitro. Journal of Neurophysiology. 86, 1365-1375 (2001).
- Kulik, A., et al. Distinct localization of GABA(B) receptors relative to synaptic sites in the rat cerebellum and ventrobasal thalamus. The European Journal of Neuroscience. 15, 291-307 (2002).
- Gutierrez, C., Cox, C. L., Rinzel, J., Sherman, S. M. Dynamics of low-threshold spike activation in relay neurons of the cat lateral geniculate nucleus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 21, 1022-1032 (2001).
- Armstrong, C. M., Gilly, W. F. Access resistance and space clamp problems associated with whole-cell patch clamping. Methods in Enzymology. 207, 100-122 (1992).
- White, J. A., Sekar, N. S., Kay, A. R. Errors in persistent inward currents generated by space-clamp errors: a modeling study. Journal of Neurophysiology. 73, 2369-2377 (1995).
- Clay, J. R., Shlesinger, M. F. Analysis of the effects of cesium ions on potassium channel currents in biological membranes. Journal of Theoretical Biology. 107, 189-201 (1984).
