Investigations électrophysiologiques de la fonction de synapse de rétinogeniculate et de Corticogeniculate
Summary
Ici, nous présentons des protocoles pour la préparation des tranches aigues de cerveau contenant le noyau génuulé latéral et l’investigation électrophysiologique de la fonction de synapses de rétinogeniculate et de corticogeniculate. Ce protocole fournit un moyen efficace d’étudier les synapses avec la probabilité de libération élevée et faible dans les mêmes tranches de cerveau aigus.
Abstract
Le noyau génuulé latéral est la première station de relais pour l’information visuelle. Les neurones relais de ce noyau thalamique intègrent l’entrée des cellules ganglionnaires rétiniennes et la projettent vers le cortex visuel. En outre, les neurones relais reçoivent l’excitation descendante du cortex. Les deux entrées excitatrices principales des neurones relais diffèrent à plusieurs égards. Chaque neurone de relais reçoit l’entrée de seulement quelques synapses de rétinogégénique, qui sont de grands terminaux avec beaucoup de sites de dégagement. Ceci est reflété par l’excitation relativement forte, les neurones de relais reçoivent, des cellules de ganglion rétinien. Les synapses corticogeniculate, en revanche, sont plus simples avec peu de sites de libération et une force synaptique plus faible. Les deux synapses diffèrent également dans leur plasticité synaptique à court terme. Les synapses rétinogeniculate ont une probabilité de libération élevée et par conséquent affichent une dépression à court terme. En revanche, les synapses corticogeniculate ont une faible probabilité de libération. Les fibres corticogeniculate traversent les noyaux thalamic réticulaires avant d’entrer dans le noyau génuulé latéral. Les différents emplacements du noyau thalamique réticulaire (rostoral du noyau génuulé latéral) et du tractus optique (ventro-lancé du noyau génuulé latéral) permettent de stimuler séparément les synapses de corticogeniculate ou de rétinogeniculate avec des électrodes de stimulation extracellulaires. Cela fait du noyau génique latéral une zone idéale du cerveau où deux synapses excitatrices avec des propriétés très différentes empiéchant sur le même type de cellule, peuvent être étudiées simultanément. Ici, nous décrivons une méthode pour étudier l’enregistrement des neurones de relais et pour effectuer l’analyse détaillée de la fonction de synapse de retinogeniculate et de corticogeniculate dans les tranches aigues de cerveau. L’article contient un protocole étape par étape pour la génération de tranches de cerveau aigus du noyau latéral de géonulate et des étapes pour enregistrer l’activité des neurones de relais en stimulant le tractus optique et les fibres corticogeniculate séparément.
Introduction
Les neurones relais du noyau génuulé latéral intègrent et transmettent l’information visuelle au cortex visuel. Ces neurones reçoivent l’entrée excitatrice des cellules de ganglion par l’intermédiaire des synapses de rétinogeniculate, qui fournissent le disque excitateur principal pour des neurones de relais. En outre, les neurones de relais reçoivent des entrées excitatrices des neurones corticaux par l’intermédiaire des synapses corticogeniculate. En outre, les neurones relais reçoivent des entrées inhibitrices des interneurones locaux et des neurones GABAergic du noyau reticularis thalami1. Le noyau reticularis thalami est présent comme un bouclier entre le thalamus et le cortex de telle sorte que les fibres se projetant du cortex au thalamus et dans la direction opposée doivent passer par le noyau reticularis thalami2.
Les entrées de rétinogeniculate et les entrées de corticogeniculate affichent des propriétés synaptiques distinctes3,4,5,6,7,8. Les entrées de rétinogénomié forment de grands terminaux avec des sites de libération multiples9,10. En revanche, les entrées de corticogeniculate affichent de petits terminaux avec des sites de libération unique7. En outre, les synapses rétinogéniques conduisent efficacement les potentiels d’action des neurones relais, bien qu’ils ne constituent que 5 à 10 % de toutes les synapses sur les neurones relais3,8,11. Les synapses corticogeniculate, d’autre part, servent de modulateur des transmissions rétinogeniculate en contrôlant le potentiel de membrane des neurones de relais12,13.
Ces deux entrées excitatrices principales pour relayer les neurones sont également fonctionnellement différentes. Une différence importante est la dépression à court terme des synapses rétinogeniculate et la facilitation à court terme des synapses de corticogeniculate3,5,8. La plasticité à court terme se réfère à un phénomène dans lequel la force synaptique change lorsque la synapse est active à plusieurs reprises dans un délai de quelques millisecondes à plusieurs secondes. La probabilité de libération synaptique est un facteur important sous-jacent à la plasticité à court terme. Les synapses, avec une faible probabilité initiale de libération, présentent une facilitation à court terme en raison de l’accumulation de Ca2 dans la presynapse et, par conséquent, une augmentation de la probabilité de libération est observée lors d’activités répétées. En revanche, les synapses avec la probabilité élevée de libération montrent habituellement la dépression à court terme due à l’épuisement des vésicules prêtes-releasable14. En outre, la désensibilisation des récepteurs postsynaptiques contribue à la plasticité à court terme dans certaines synapses de probabilité à libération élevée8,15. La probabilité et la désensibilisation élevées de dégagement des récepteurs d’acide et de dégagement élevés de ‘amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic d’acide (AMPA) contribuent à la dépression à court terme en avant des synapses de rétinogeniculate. En revanche, la probabilité de faible libération sous-tend la facilitation à court terme des synapses de corticogeniculate.
Chez la souris, le tractus optique pénètre dans le noyau de geniculate latéral dorsal (dLGN) du site caudolatéral, tandis que les fibres corticogeniculate pénètrent dans le rostroventrally dLGN. La distance entre les deux entrées permet d’enquêter sur les propriétés individuelles de deux entrées excitatrices très différentes empiéchant sur la même cellule. Ici, nous construisons et améliorons une méthode précédemment décrite de dissection dans laquelle les fibres derétinogeniculate et de corticogeniculate sont préservées dans les tranches aigues de cerveau 3. Nous décrivons alors l’investigation électrophysiologique des neurones de relais et la stimulation des fibres de rétinogeniculate et de corticogenicuulate avec des électrodes de stimulation extracellulaires. Enfin, nous fournissons un protocole pour le remplissage des neurones relais avec la biocytine et l’analyse anatomique ultérieure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous décrivons un protocole amélioré basé sur une méthode précédemment éditée3, qui permet l’étude de la probabilité élevée des synapses de rétinogeniculate de dégagement et de la faible probabilité des synapses de corticogeniculate de libération de la même tranche. Ceci est d’une grande importance puisque ces deux entrées interagissent les unes avec les autres pour moduler la transmission du signal visuel : les entrées rétinogéniques sont le principal moteur excitateur des n…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été financés par la Fondation allemande de recherche (DFG) au sein du Collaborative Research Center (SFB) 1134 “Ensembles fonctionnels” (J.v.E. et X.C.) et la Subvention de recherche 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 |
Referencias
- 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).
