Elektrofysiologische onderzoeken van Retinogeniculate en Corticogeniculate Synapse functie
Summary
Hier presenteren we protocollen voor de bereiding van acute hersen schijfjes met de laterale geniculate Nucleus en het elektrofysiologisch onderzoek van retinogeniculate en corticogeniculate synapsen functie. Dit protocol biedt een efficiënte manier om te bestuderen van de synapsen met de hoge-release en lage-release kans in dezelfde acute hersenen segmenten.
Abstract
De laterale geniculate Nucleus is het eerste relaisstation voor de visuele informatie. Relais neuronen van deze thalame Nucleus integreren input van retinale ganglioncellen en projecteren deze op de visuele cortex. Bovendien ontvangen Relais neuronen top-down excitatie van de cortex. De twee belangrijkste excitatory ingangen naar de relay neuronen verschillen in verschillende aspecten. Elk relais neuron ontvangt input van slechts een paar retinogeniculate synapsen, die grote terminals met veel release sites. Dit wordt weerspiegeld door de relatief sterke excitatie, de Relais neuronen ontvangen, van retinale ganglioncellen. Corticogeniculate synapsen, in tegenstelling, zijn eenvoudiger met weinig release sites en zwakkere synaptische sterkte. De twee synapsen verschillen ook in hun synaptische korte-termijn plasticiteit. Retinogeniculate synapsen hebben een hoge afgifte waarschijnlijkheid en vertonen bijgevolg een kortdurende depressie. In tegenstelling tot, corticogeniculate synapsen hebben een lage afgifte kans. Corticogeniculate vezels passeren de reculaire thalamische kernen voordat ze de laterale geniculate Nucleus binnengaan. De verschillende locaties van de reculaire thalamische kern (rostrally van de laterale geniculate Nucleus) en het optische kanaal (ventro-lateraal van de laterale geniculate Nucleus) maken het stimuleren van corticogeniculate of retinogeniculeren synapsen afzonderlijk mogelijk met extracellulaire stimulatie elektroden. Dit maakt de laterale geniculate Nucleus een ideaal hersengebied waar twee excitatory synapsen met zeer verschillende eigenschappen die zich op hetzelfde celtype bevinden, gelijktijdig kunnen worden bestudeerd. Hier beschrijven we een methode om de opname van Relais neuronen te onderzoeken en om gedetailleerde analyses uit te voeren van het retinogeniculate en het corticogeniculate SYNAPS functie in acute hersen sneden. Het artikel bevat een stap-voor-stap protocol voor het genereren van acute hersen sneden van de laterale geniculate Nucleus en stappen voor het opnemen van activiteit van Relais neuronen door het optisch tractus en corticogeniculate vezels afzonderlijk te stimuleren.
Introduction
Relais neuronen van de laterale geniculate Nucleus integreren en sturen visuele informatie naar de visuele cortex. Deze neuronen ontvangen excitatory input van ganglioncellen via retinogeniculate synapsen, die zorgen voor de belangrijkste excitatory drive voor relay neuronen. Bovendien ontvangen Relais neuronen excitatory ingangen van corticale neuronen via corticogeniculate synapsen. Bovendien ontvangen Relais neuronen remmende ingangen van lokale interneuronen en GABAergic neuronen van de Nucleus reticularis thalami1. De Nucleus reticularis thalami is aanwezig als een schild tussen de thalamus en de cortex zodanig dat vezels projecteren van cortex naar thalamus en in de tegenovergestelde richting moet gaan door de Nucleus reticularis thalami2.
Retinogeniculate ingangen en corticogeniculate ingangen vertonen verschillende synaptische eigenschappen3,4,5,6,7,8. Retinogeniculate ingangen vormen grote terminals met meerdere release sites9,10. In tegenstelling, weergeven corticogeniculate ingangen kleine terminals met single release sites7. Bovendien, retinogeniculate synapsen effectief stimuleren actie potentialen van Relais neuronen ondanks het vormen slechts 5 − 10% van alle synapsen op Relais neuronen3,8,11. Het corticogeniculate synapsen dient daarentegen als modulator van retinogeniculate transmissies door het membraanpotentiaal van Relais neuronen12,13te beheersen.
Deze twee belangrijkste excitatory ingangen voor relay neuronen zijn ook functioneel verschillend. Een belangrijke verschil is de kortdurende depressie van retinogeniculate synapsen en de korte termijn vergemakkelijking van corticogeniculate synapsen3,5,8. Korte-termijn plasticiteit verwijst naar een fenomeen waarin de synaptische sterkte verandert wanneer de synaps herhaaldelijk actief is binnen een tijdsperiode van enkele milliseconden tot enkele seconden. Synaptic release waarschijnlijkheid is een belangrijke factor onderliggende plasticiteit op korte termijn. Synapsen, met een lage kans op initiële vrijgave, weergave van de korte termijn als gevolg van de opbouw van CA2 + in de presynapse en bijgevolg een toename van de kans op vrijgave wordt waargenomen bij herhaalde activiteit. In tegenstelling, synapsen met hoge release kans meestal weergegeven op korte termijn depressie als gevolg van de uitputting van Ready-releasable blaasjes14. Bovendien, desensibilisatie van postsynaptische receptoren draagt bij aan de korte-termijn plasticiteit in sommige hoge-release waarschijnlijkheid synapsen8,15. Hoge afgifte waarschijnlijkheid en desensibilisatie van α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic zuur (AMPA) receptoren dragen bij aan de prominente kortdurende depressie van retinogeniculate synapsen. Daarentegen is de waarschijnlijkheid van lage afgifte ten grondslag aan de korte termijn versoepeling van de synapsen van het corticogeniculate.
Bij muizen komt het optische kanaal in de dorsale laterale geniculate Nucleus (dLGN) van de caudolaterale plaats, terwijl corticogeniculate vezels de dLGN rostroventraal binnenkomen. De afstand tussen de twee ingangen maakt het mogelijk voor het onderzoek van de individuele eigenschappen van twee zeer verschillende excitatory ingangen die op dezelfde cel. Hier bouwen we voort op en verbeteren we een eerder beschreven dissectie methode waarbij retinogeniculate en corticogeniculate vezels in acute hersen plakjes3bewaard blijven. We beschrijven dan het elektrofysiologisch onderzoek van Relais neuronen en stimulatie van retinogeniculate en corticogeniculate vezels met extracellulaire stimulatie elektroden. Tot slot bieden we een protocol voor het vullen van Relais neuronen met biocytine en daaropvolgende anatomische analyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
We beschrijven een verbeterd protocol op basis van een eerder gepubliceerde methode3, die het mogelijk maakt voor het onderzoek naar de hoge waarschijnlijkheid van het vrijgeven van retinogeniculate synapsen en een lage waarschijnlijkheid van het vrijkomen van corticogeniculate synapsen uit hetzelfde segment. Dit is van groot belang, omdat deze twee ingangen met elkaar omgaan om de visuele signaaloverdracht te moduleren: retinogeniculate-ingangen zijn de belangrijkste excitatory-aandrijving van Re…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de German Research Foundation (DFG) binnen het collaborative Research Center (SFB) 1134 “functionele ensembles” (J.v.E. en X.C.) en de Research Grant EN948/1-2 (J.v.E.).
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 |
Referenzen
- 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).
