تقييم الحث علي الاكتئاب علي المدى الطويل في شرائح البالغين المخيخار
Summary
في بعض الكائنات التي تتلاعب بالجينات ، قد يفشل استخدام بروتوكول واحد للحث علي المحدودة في خلايا Purkinje المخيخ ، وقد يكون هناك اختلاف بين المحدودة والتعلم الحركي. بروتوكولات متعددة ضرورية لتقييم التعريفي المحدودة في الكائنات التي تتلاعب بالجينات. يتم عرض البروتوكولات القياسية.
Abstract
اللدونة متشابك يوفر اليه للتعلم والذاكرة. للتعلم المحرك المخيخ ، والاكتئاب علي المدى الطويل (المحدودة) من الإرسال متشابك من ألياف المتوازية (PF) إلى الخلايا Purkinje (PC) يعتبر أساسا للتعلم الحركي ، ولوحظت أوجه القصور في كل من المحدودة والتعلم الحركي في مختلف التلاعب بالجينات الحيوانية. واستخدمت مجموعات التعلم الحركي المشتركة ، مثل التكيف مع منعكس حركه اللااراديه (okr) ، منعكس الدهليزية العين (VOR) ، واختبار rotarod لتقييم قدره التعلم الحركي. ومع ذلك ، أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها من محطه GluA2-كربوكسي المعدلة في الفئران التكيف الطبيعي لل VOR و OKR ، علي الرغم من نقص PF-المحدودة. وفي ذلك التقرير ، تمت محاولة الحث علي المحدودة فقط باستخدام نوع واحد من بروتوكول التحفيز في درجه حرارة الغرفة. وهكذا ، تم استكشاف الظروف التي تحفز المخيخ المحدودة في نفس الطرق في المسوخ باستخدام بروتوكولات مختلفه في درجه حرارة الفسيولوجية القريبة. وأخيرا ، وجدنا بروتوكولات التحفيز ، التي يمكن ان يسببها المحدودة في هذه الفئران التلاعب الجينات. في هذه الدراسة ، يتم اقتراح مجموعه من البروتوكولات لتقييم التعريفي المحدودة ، والتي سوف تسمح بشكل أكثر دقه فحص العلاقة السببية بين المحدودة والتعلم الحركي. في الختام ، الظروف التجريبية حاسمه عند تقييم المحدودة في الفئران التلاعب الجينات.
Introduction
وقد تم توضيح التنظيم متشابك من الشبكات العصبية المفصلة من القشرة المخيخ ، وتتالف من أجهزه الكمبيوتر ، والخلايا العصبية الطبقة الجزيئية (سله والخلايا النجميه) ، golgi الخلية ، PFs من الخلايا الحبيبية ، وألياف المطحلب وتسلق ألياف (CFs) ، من حيث الاثاره/تثبيط والتباعد/التقارب ، والمخطط الدوائر تنظيما جيدا وقد اقترح ان المخيخ هو “اله العصبية”1، علي الرغم من انه لم يكن هناك في السابق اي فكره عن الغرض من هذا “اله”. واقترح في وقت لاحق Marr ان المدخلات PFs لأجهزه الكمبيوتر تشكل طبقه ثلاثية شبكه التعلم النقابي2. واقترح أيضا ان كل CF ينقل التعليمات الدماغية للحركة عنصري2. وقال انه يفترض ان التنشيط في وقت واحد من PFs و CF من شانه ان يعزز النشاط المشبك PF-PC, ويسبب التقوية طويلة الأجل (LTP) من المشبك PF-PC. من ناحية أخرى ، افترض Albus ان تنشيط متزامن من PFs و CF أسفرت المحدودة في الاشتباكات العصبية PF-PC3. كل من الدراسات المذكورة أعلاه تفسر المخيخ كجهاز ذاكره فريدة من نوعها ، ودمج التي في الشبكة القشرية المخيخ يؤدي إلى تشكيل نموذج اله التعلم النموذج Marr-Albus.
بعد هذه التوقعات النظرية ، واثنين من خطوط الادله تشير إلى وجود اللدونة متشابك في المخيخ. واقترح السطر الأول من الادله من قبل التنظيم التشريحي لل التلبد ؛ هنا مسارات MF من أصل الجهاز الدهليزي ومسارات CF من أصل الشبكية تتلاقي علي أجهزه الكمبيوتر4. هذا النمط الفريد من التقارب يوحي بان اللدونة المتشابكة التي تحدث في التلبد تؤدي إلى التكيف الملحوظ لمنعكس العين. ثانيا ، ان تسجيل استجابه أجهزه الكمبيوتر الشخصية في التلبد والسخرية من التلبد أيضا دعم الفرضية المذكورة أعلاه5،6،7. وعلاوة علي ذلك ، فان نمط التفريغ PC خلال التكيف مع حركه اليد القردة8 دعمت فرضيه اللدونة متشابك ، وخاصه albus ‘ المحدودة-فرضيه3.
لتحديد طبيعة اللدونة متشابك مباشره ، والتحفيز الملتحمة المتكررة (Cjs) من حزمه من PFs و CF ان العصبي علي وجه التحديد في جهاز الكمبيوتر في الجسم الطبيعي وأظهرت للحث علي المحدودة لفعالية انتقال PF-PC الاشتباكات العصبية9، 10,11. في الاستكشافات اللاحقة في المختبر باستخدام شريحة المخيخ12 وأجهزه الكمبيوتر المثقفة ، والجمع بين التحفيز المشترك للخلايا الحبيبية وتحفيز خلايا الزيتون13 أو الاقتران من الغلوتامات التطبيقية ايوتوهوريكالي والجسدية الاستقطاب14،15 المحدودة. كما تم التحقيق بشكل مكثف في اليه محول الإشارات الكامنة وراء الحث المحدود باستخدام المستحضرات الانبوبيه16،17.
وغالبا ما تستخدم التعديلات من VOR و OKR للتقييم الكمي للآثار التلاعب الجينات علي التعلم الحركي المخيخ ، لأنه ثبت القشرة الدهليز-المخيخ ان تكون الأصل الأساسي في التعلم التكيفيه من VOR18 ,19,20 و okr19,21 وقد اتخذت العلاقة بين فشل التعريفي المحدودة وضعف التعلم الحركي السلوكي كدليل علي ان المحدودة تلعب دورا أساسيا في المحركات أليات التعلم22. ويشار إلى هذه الآراء بشكل جماعي باسم فرضيه المحدودة للتعلم الحركي ، أو الفرضية المار-albus-ايتو23،24،25،26.
تم قياس التعلم التكيفيه لحركه العين باستخدام بروتوكولات مماثله ، في حين استخدمت الظروف التجريبية المختلفة للحث علي المحدودة في اعداد شريحة27،28،29،30،31 . وفي الاونه الاخيره ، ذكرت شونفيل وآخرون26 ان بعض الفئران التلاعب الجينات أظهرت التعلم الحركي العادي ، ولكن لم تظهر شرائح المخيخ المحدودة ، التالي استنتجت ان المحدودة ليست ضرورية للتعلم الحركي. ومع ذلك ، تمت محاولة الحث المحدودة فقط باستخدام نوع واحد من البروتوكول في درجه حرارة الغرفة. التالي ، استخدمنا عده أنواع من البروتوكولات التي تحفز المحدودة تحت شروط التسجيل في حوالي 30 درجه مئوية ، وأكدنا ان المحدودة كانت مستحثه بشكل موثوق في الفئران التلاعب الجينات باستخدام هذه البروتوكولات في درجات الحرارة الفسيولوجية القريبة32.
ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض الاسئله بشان الخصائص الاساسيه للتحفيز الملتحمة. الأول هو العلاقة بين شكل سبايك المعقدة والسعه المحدودة. ثانيا ، بالاقتران مع تحفيز الجبهة الذاتية والاستقطاب الجسدي ، ما إذا كان عدد المحفزات المستخدمة ضروريا ام لا كان بعيد المنال. في هذه الدراسة ، تم التحقيق في هذه الاسئله باستخدام فئران النوع البري (WT).
Protocol
Representative Results
Discussion
الاختلافات بين البروتوكولات الاربعه
في البروتوكولات التي تحفز المحدودة 1 و 2 ، Cjs 300 مرات في 1 هرتز يكفي للحث علي المخيخ المحدودة. تردد التحفيز من CF يبدو ان تكون في نطاق الفسيولوجية ، لان ارتفاع معدل إطلاق النار في حاله تاهب الفئران الكبار (P60) وأفيد ان 1.25 هرتز36. ومع ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر ا. اوبا علي مساعدتها التقنية. وقد دعم هذا البحث جزئيا بمنحه المعونة للبحوث العلمية (C) 17K01982 إلى ك امواكو
Materials
| Amplifier | Molecular Devices-Axon | Multiclamp 700B | |
| Borosilicate glass capillary | Sutter | BF150-110-10 | |
| Digitizer | Molecular Devices-Axon | Digidata1322A | |
| Electrode puller | Sutter | Model P-97 | |
| Isoflurane | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 26675-46-7 | |
| Isolator | A.M.P.I. | ISOflex | |
| Linear slicer | Dosaka EM | PRO7N | |
| Microscope | NIKON | Eclipse E600FN | |
| Peristaltic pump | Gilson | MP1 Single Channel Pump | |
| Picrotoxin | Sigma-Aldrich | P1675 | |
| Pure water maker | Merck-Millipore | MilliQ 7000 | |
| Software for experiment | Molecular probe-Axon | pClamp 10 | |
| Software for statistics | KyensLab | KyPlot 5.0 | |
| Stimulator | WPI | DS8000 | |
| Temperature controller | Warner | TC-324B | |
| Tetrodotoxin | Tocris | 1078 |
References
- Eccles, J. C., Ito, M., Szentagothai, J. . The Cerebellum as a Neuronal Machine. , (1967).
- Marr, D. A theory of cerebellar cortex. Journal of Physiology. 202 (2), 437-470 (1969).
- Albus, J. S. Theory of cerebellar function. Mathematical Biosciences. 10 (1), 25-61 (1971).
- Maekawa, K., Simpson, J. I. Climbing fiber responses evoked in vestibulocerebellum of rabbit from visual system. Journal of Neurophysiology. 36 (4), 649-666 (1973).
- Ito, M., Shiida, T., Yagi, N., Yamamoto, M. Visual influence on rabbit horizontal vestibulo-ocular reflex presumably effected via the cerebellar flocculus. Brain Research. 65 (1), 170-174 (1974).
- Ghelarducci, B., Ito, M., Yagi, N. Impulse discharge from flocculus Purkinje cells of alert rabbits during visual stimulation combined with horizontal head rotation. Brain Research. 87 (1), 66-72 (1975).
- Robinson, D. A. Adaptive gain control of vestibulo-ocular reflex by the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 39 (5), 954-969 (1976).
- Gilbert, P. F. C., Thach, W. T. Purkinje cell activity during motor learning. Brain Research. 128 (2), 309-328 (1977).
- Ito, M., Sakurai, M., Tongroach, P. Climbing fibre induced depression of both mossy fibre responsiveness and glutamate sensitivity of cerebellar Purkinje cells. Journal of Physiology. 324, 113-134 (1982).
- Ito, M., Kano, M. Long-lasting depression of parallel fiber-Purkinje cell transmission induced by conjunctive stimulation of parallel fibers and climbing fibers in the cerebellar cortex. Neuroscience Letters. 33 (3), 253-258 (1982).
- Ekerot, C. F., Kano, M. Long-term depression of parallel fibre synapses following stimulation of climbing fibres. Brain Research. 342 (2), 357-360 (1985).
- Sakurai, M. Synaptic modification of parallel fibre-Purkinje cell transmission in in vitro guinea-pig cerebellar slices. Journal of Physiology. 394, 462-480 (1987).
- Hirano, T. Depression and potentiation of the synaptic transmission between a granule cell and a Purkinje cell in rat cerebellar culture. Neuroscience Letters. 119 (2), 141-144 (1990).
- Linden, D. J. A long-term depression of AMPA currents in cultured cerebellar purkinje neurons. Neuron. 7 (1), 81-89 (1991).
- Linden, D. J., Connor, J. A. Participation of postsynaptic PKC in cerebellar long-term depression in culture. Science. 254 (5038), 1656-1659 (1991).
- Ito, M. Cerebellar long-term depression: characterization, signal transduction and functional roles. Physiological Reviews. 81 (3), 1143-1195 (2001).
- Ito, M. The molecular organization of cerebellar long-term depression. Nature Reviews Neuroscience. 3, 896-902 (2002).
- Ito, M., Jastreboff, P. J., Miyashita, Y. Specific effects of unilateral lesions in the flocculus upon eye movements in albino rabbits. Experimental Brain Research. 45 (1-2), 233-242 (1982).
- Nagao, S. Effects of vestibulocerebellar lesion upon dynamic characteristics and adaptation of vestibulo-ocular and optokinetic responses in pigmented rabbits. Experimental Brain Research. 53 (1), 36-46 (1983).
- Watanabe, E. Neuronal events correlated with long-term adaptation of the horizontal vestibulo-ocular reflex in the primate flocculus. Brain Research. 297 (1), 169-174 (1984).
- van Neerven, J., Pompeiano, O., Collewijn, H. Effects of GABAergic and noradrenergic injections into the cerebellar flocculus on vestibulo-ocular reflexes in the rabbit. Progress in Brain Research. 88, 485-497 (1991).
- Ito, M. Mechanism of motor learning in the cerebellum. Brain Research. 886, 237-245 (2000).
- De Schutter, E. Cerebellar long-term depression might normalize excitation of Purkinje cells: a hypothesis. Trends in Neurosciences. 18 (7), 291-295 (1995).
- Hansel, C., Linden, D. J. Long-term depression of the cerebellar climbing fiber-Purkinje neuron synapse. Neuron. 26 (2), 473-482 (2000).
- Safo, P., Regehr, W. G. Timing dependence of the induction of cerebellar LTD. Neuropharmacology. 54 (1), 213-218 (2007).
- Schonewille, M., et al. Reevaluating the role of LTD in cerebellar motor learning. Neuron. 70 (1), 43-500 (2011).
- Karachot, L., Kado, T. R., Ito, M. Stimulus parameters for induction of long-term depression in in vitro rat Purkinje cells. Neuroscience Research. 21 (2), 161-168 (1994).
- Hartell, N. A. Induction of cerebellar long-term depression requires activation of glutamate metabotropic receptors. Neuroreport. 5, 913-916 (1994).
- Aiba, A., et al. Deficient cerebellar long-term depression and impaired motor learning in mGluR1 mutant mice. Cell. 79, 377-388 (1994).
- Steinberg, J. P., et al. Targeted in vivo mutations of the AMPA receptor subunit GluR2 and its interacting protein PICK1 eliminate cerebellar long-term depression. Neuron. 46 (6), 845-860 (2006).
- Koekkoek, S. K., et al. Deletion of FMR1 in Purkinje cells enhances parallel fiber LTD, enlarges spines, and attenuates cerebellar eyelid conditioning in Fragile X syndrome. Neuron. 47 (3), 339-352 (2005).
- Yamaguchi, K., Itohara, S., Ito, M. Reassessment of long-term depression in cerebellar Purkinje cells in mice carrying mutated GluA2 C terminus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (36), 10192-10197 (2016).
- De Schutter, E., Bower, J. M. An active membrane model of the cerebellar Purkinje cell II. Simulation of synaptic responses. Journal of Neurophysiology. 71 (1), 401-419 (1994).
- Swensen, A. M., Bean, B. Ionic mechanisms of burst firing in dissociated Purkinje neurons. Journal of Neuroscience. 23 (29), 9650-9663 (2003).
- Fukuda, J., Kameyama, M., Yamaguchi, K. Breakdown of cytoskeletal filaments selectively reduces Na and Ca spikes in cultured mammal neurones. Nature. 294 (5836), 82-85 (1981).
- Arancillo, M., White, J. J., Lin, T., Stay, T. L., Silltoe, R. V. In vivo analysis of Purkinje cell firing properties during postnatal mouse development. Journal of Neurophysiology. 113, 578-591 (2015).
- Ishikawa, T., Shimuta, M., Häusser, M. Multimodal sensory integration in single cerebellar granule cell in vivo. eLife. 4, e12916 (2015).
- Tempia, F., Minlaci, M. C., Anchisi, D., Strata, P. Postsynaptic current mediated by metabotropic glutamate receptors in cerebellar Purkinje cells. Journal of Neurophysiology. 80, 520-528 (1998).
- Wang, S. S., Denk, W., Häusser, M. Coincidence detection in single dendritic spines mediated by calcium release. Nature Neuroscience. 3, 1266-1273 (2000).
- Kuroda, S., Schweighofer, N., Kawato, M. Exploration of signal transduction pathways in cerebellar long-term depression by kinetic simulation. Journal of Neuroscience. 21 (15), 5693-5702 (2001).
- Wang, W., et al. Distinct cerebellar engrams in short-term and long-term motor learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (1), E188-E193 (2014).
- Inoshita, T., Hirano, T. Occurrence of long-term depression in the cerebellar flocculus during adaptation of optokinetic response. eLife. 27, 36209 (2018).
- Belmeguenai, A., et al. Intrinsic plasticity complements long-term potentiation in parallel fiber input gain control in cerebellar Purkinje cells. Journal of Neuroscience. 30 (41), 13630-13643 (2010).
- Ohtsuki, G., Piochon, C., Adelman, J. P., Hansel, C. SK2 channel modulation contributes to compartment specific dendritic plasticity in cerebellar Purkinje cells. Neuron. 75, 108-120 (2012).
