Электрофизиологические исследования ретиногенулата и кортикогенуляции синапсовой функции
Summary
Здесь мы представляем протоколы для подготовки острых ломтиков мозга, содержащих боковое гениальное ядро и электрофизиологическое исследование функции ретиногенулата и кортикогенулата синапсов. Этот протокол обеспечивает эффективный способ изучения синапсов с высокой и низкой вероятностью высвобождения в тех же острых срезах мозга.
Abstract
Боковое гениальное ядро является первой ретрансляционной станцией для визуальной информации. Ретрансляционные нейроны этого таламиического ядра интегрируют вход из клеток ганглия в коры и проецируют его на зрительную кору. Кроме того, реле нейроны получают сверху вниз возбуждение из коры. Два основных возбуждательных входных данных в реле нейронов отличаются несколькими аспектами. Каждый ретрансляторный нейрон получает вход только от нескольких ретиногенулатных синапсов, которые являются большими терминалами со многими местами выпуска. Это отражается на сравнительно сильное возбуждение, реле нейроны получают, от клеток ганглия в клетках клетки из корытины. Кортикогенулат синапсы, напротив, проще с несколькими местами выпуска и более слабой синаптической силой. Два синапса также отличаются по своей синаптической краткосрочной пластичности. Ретиногенулат синапсы имеют высокую вероятность высвобождения и, следовательно, отображают краткосрочную депрессию. В отличие от этого, кортикогенулатсины имеют низкую вероятность высвобождения. Кортикогенулатные волокна пересекают ретикулярные таламичные ядра перед входом в боковое гениальное ядро. Различные расположения ретикулярного таламического ядра (росттало из бокового гениального ядра) и оптического тракта (вентро-боково енерально из бокового гениального ядра) позволяют стимулировать кортикогенитулилит или ретиногениула синапсы отдельно с электродами внеклеточной стимуляции. Это делает боковое гениальное ядро идеальной областью мозга, где два возбуждающих синапса с очень разными свойствами, посягающими на один и тот же тип клеток, могут быть изучены одновременно. Здесь мы описываем метод исследования записи из ретрансляционных нейронов и для выполнения детального анализа функции ретиногенулата и кортикогенулата синапса в острых срезах мозга. Статья содержит пошаговый протокол для генерации острых ломтиков мозга бокового гениального ядра и шаги для записи активности от ретрансляционных нейронов, стимулируя оптический тракт и кортикогенулатные волокна отдельно.
Introduction
Реле нейронов бокового гениального ядра интегрировать и передать зрительную информацию в зрительную кору. Эти нейроны получают возбуждательный вход от клеток ганглия через ретиногенулат синапсы, которые обеспечивают основной возбуждательный диск для ретрансляции нейронов. Кроме того, реле нейроны получают возбуждательные входы из корковых нейронов через кортикогенулат синапсы. Кроме того, реле нейроны получают ингибирующие входы из местных интернейронов и ГАМК-нейронов ядра reticularis thalami1. Ядро reticularis thalami присутствует как щит между таламусом и корой, так что волокна, проецирование от коры к таламусу и в противоположном направлении должны пройти через ядро reticularis thalami2.
Ретиногенулат входы и кортикогенулат входы отображения различных синаптических свойств3,4,5,6,7. Retinogeniculate входы образуют большие терминалы с несколькими местами выпуска9,10. В отличие от этого, кортикогенулат входы отображают небольшие терминалы с одним релизомсайтов 7. Кроме того, ретиногенулат синапсы эффективно диск действия потенциалрел ьрентов, несмотря на составляющие только 5-10% всех синапсов на реле нейронов3,8,11. Кортикогенулат синапсы, с другой стороны, служат модулятором ретиногенулатных передач, контролируя мембранный потенциал ретрансляторных нейронов12,13.
Эти два основных возбуждательных входных данных для ретрансляции нейронов также функционально отличаются. Одним из заметных различий является краткосрочная депрессия ретиногенулатных синапсов и краткосрочноеоблегчение кортикогенулатных синапсов 3,5,8. Кратковременная пластичность относится к явлению, при котором синаптические силы изменяются, когда синапс неоднократно активен в течение периода времени от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Вероятность синапического высвобождения является важным фактором, лежащим в основе краткосрочной пластичности. Синапсы, с низкой начальной вероятностью выпуска, отображают кратковременное упрощение из-за накопления Ca2 в пресинапсе и, следовательно, увеличение вероятности высвобождения наблюдается при повторной активности. В отличие от этого, синапсы с высокой вероятностью высвобождения обычно отображают краткосрочную депрессию из-за истощения готовых пузырьков14. Кроме того, десенсибилизация постсинаптические рецепторы способствует краткосрочной пластичности в некоторых высоковысвеленных вероятностных синапсах8,15. Высокая вероятность высвобождения и десенсибилизация рецепторов х-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изосоксазолепрофиновой кислоты (АМРА) способствуют заметной краткосрочной депрессии ретиногенулатных синапсов. В отличие от этого, вероятность низкой высвобождения лежит в основе краткосрочного упрощения кортикогенуляционных синапсов.
У мышей, оптический тракт входит спинной боковой geniculate ядро (dLGN) из caudolateral сайте, в то время как кортикогенулатные волокна попадают в dLGN rostroventrally. Расстояние между двумя входами позволяет иссмотреть индивидуальные свойства двух очень разных возбуждающих входов, посягающих на одну и ту же ячейку. Здесь мы основопанов и улучшения ранее описанного метода вскрытия, в котором ретиногенулат и кортикогенулат волокна сохраняются в острых ломтиках мозга3. Мы описываем электрофизиологическое исследование ретрансляционных нейронов и стимуляцию ретиногеникулатных и кортикогенуляционных волокон внеклеточными электродами стимуляции. Наконец, мы предоставляем протокол для заполнения ретрансляционных нейронов биоцитином и последующего анатомического анализа.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы описываем улучшенный протокол на основе ранее опубликованного метода3, который позволяет исследует высокую вероятность высвобождения ретиногенулатных синапсов и низкую вероятность высвобождения кортикогенулатных синапсов из одного и того же среза. Это имеет большое…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансируется Германским исследовательским фондом (DFG) в рамках Центра совместных исследований (SFB) 1134 “Функциональные ансамбли” (J.v.E. и X.C.) и исследовательского гранта 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).
