Оценка долгосрочной депрессии индукции в взрослых церебеллярной ломтики
Summary
В некоторых генов манипулировать животных, используя один протокол может не вызвать LTD в мозжечковых клетках Purkinje, и может быть несоответствие между LTD и двигательного обучения. Для оценки ltd-индукции у животных, манипулируемых генами, необходимы несколько протоколов. Отображаются стандартные протоколы.
Abstract
Синаптической пластичности обеспечивает механизм для обучения и памяти. Для мозжечкового моторного обучения, долгосрочная депрессия (LTD) синаптической передачи от параллельных волокон (PF) к клеткам Purkinje (PC) считается основой для моторного обучения, и недостатки как LTD, так и моторного обучения наблюдаются в различных генно-манипулируемых животных. Для оценки способности моторного обучения использовались общие наборы моторного обучения, такие как адаптация оптикинетического рефлекса (OKR), вестибулярно-глазного рефлекса (VOR) и тест на ротарод. Тем не менее, результаты, полученные от GluA2-carboxy конечной модифицированных стук в мышей продемонстрировали нормальную адаптацию VOR и OKR, несмотря на отсутствие PF-LTD. В этом докладе индукция LTD была предпринята только с использованием одного типа протокола стимуляции при комнатной температуре. Таким образом, условия, чтобы вызвать мозжечковые LTD были изучены в том же стук-в мутантов с использованием различных протоколов при почти физиологической температуре. Наконец, мы нашли протоколы стимуляции, с помощью которых LTD может быть индуцирована в этих генно-манипулируемых мышей. В этом исследовании предлагается набор протоколов для оценки ltd-индукции, что позволит более точно изучить причинно-следственную связь между LTD и моторного обучения. В заключение, экспериментальные условия имеют решающее значение при оценке LTD в ген-манипулируемых мышей.
Introduction
Синкаптическая организация разработанных нейрональных сетей мозжечковой коры, состоящей из ПК, молекулярных пластовых интернейронов (корзинных и стеллатных клеток), клеток Голги, PFs из гранулированных клеток, мшистых волокон и альпинистских волокон (CFs), были выяснены с точки зрения возбуждения / ингибирования и расхождения / конвергенции, и хорошо организованной схемы диаграммы предположил, что мозжечок является “нейрональной машины”1, хотя ранее не было ни малейшего представления о цели этой “машины”. Позже Марр предложил, чтобы ввод PFs на ПК представлял собой трехслойную ассоциативную сеть обучения2. Он также предположил, что каждый CF передает церебральный инструкции для элементарного движения2. Он предположил, что одновременная активация ПФ и CF повысит активность синапсов PF-PC и вызовет долгосрочную потенцию (ЛТП) синапса PF-PC. С другой стороны, Альбус предположил, что синхронная активация PFs и CF привела к LTD на PF-PC синапсы3. Оба вышеисследования интерпретируют мозжечок как уникальное устройство памяти, включение которого в мозжечковую корковую сеть приводит к формированию модели модели модели Marr-Albus.
Следуя этим теоретическим предсказаниям, две линии доказательств указывают на наличие синаптической пластичности в мозжечке. Первая линия доказательств была предложена анатомической организацией флокуса; здесь Пути MF развития вестибулярного происхождения органов и CF пути происхождения сопредели на ПК4. Этот уникальный шаблон конвергенции предполагает, что синаптической пластичности, происходящих в flocculus вызывает замечательную приспособляемость вестибуло-глазного рефлекса. Во-вторых, запись реакции ПК в flocculus и поражения flocculus также поддержали выше гипотезу5,6,7. Кроме того, модель разряда ПК во время адаптации движения руки обезьяны8 поддерживала гипотезу синаптической пластичности, особенно гипотезу Альбуса LTD-гипотеза3.
Для определения характера синаптической пластичности непосредственно, повторяется конъюнктивная стимуляция (Cjs) из расслоения PFs и CF, что конкретно innervates PC in vivo было показано, чтобы вызвать LTD для передачи эффективности PF-PC синапсы9, 10,11. В последующих исследованиях in vitro с использованием мозжечкового ломтика12 и культивированных ПК, соединение совместной стимуляции гранули и стимуляции оливковых клеток13 или соединение ионтофорексически прикладного глутамата и соматического деполяризации14,15 вызвало LTD. Механизм трансдукции сигнала, лежащий в основе индукции LTD, также интенсивно исследовался с помощью препаратов in vitro16,17.
Адаптация VOR и OKR часто использовалась для количественной оценки генно-манипуляционного воздействия на мозжечковое моторное обучение, потому что вестибюль-мозжечковая кора была доказана как существенное происхождение в адаптивном изучении VOR18 ,19,20 и OKR19,21 Корреляция между отказом ltd-индукции и ухудшениеповеденческого обучения двигателя было принято в качестве доказательства того, что LTD играет важную роль в двигательной механизмы обучения22. Эти взгляды коллективно называются гипотезой LTD о моторном обучении, или гипотезой Марр-Альбус-Ито23,24,25,26.
Адаптивное обучение движения глаз было измерено с помощью аналогичных протоколов, в то время как различные экспериментальные условия были использованы, чтобы вызвать LTD в срез подготовки27,28,29,30,31 . Недавно Schonewille et al.26 сообщили, что некоторые мыши, манипулируемые генами, продемонстрировали нормальное моторное обучение, но мозжечковые ломтики не показали LTD, и тем самым пришли к выводу, что LTD не является необходимым для моторного обучения. Тем не менее, индукция LTD была только попытка использования одного типа протокола при комнатной температуре. Таким образом, мы использовали несколько типов ltd-индуцирующих протоколов в условиях записи при температуре около 30 градусов по Цельсию, и мы подтвердили, что LTD был надежно индуцирован в ген-манипулируемых мышей с помощью этих протоколов при почти физиологических температурах32.
Однако остаются некоторые вопросы относительно основных свойств конъюнктурной стимуляции. Во-первых, это связь между формой сложного шипа и амплитудой LTD. Во-вторых, в сочетании с PF-стимуляцией и соматической деполярализацией, независимо от того, было ли необходимо ею количество используемых стимулов или нет, было неуловимо. В настоящем исследовании, эти вопросы были исследованы с использованием диких мышей типа (WT).
Protocol
Representative Results
Discussion
Различия между четырьмя протоколами
В ltd-индуцирующих протоколов 1 и 2, Cjs 300 раз на 1 Гц достаточно, чтобы вызвать мозжечковый LTD. Частота стимуляции CF, казалось, в физиологическом диапазоне, потому что сложный всплеск скорости стрельбы в оповещения взрослых мышей (P60) было со?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим А. Оба за ее техническую помощь. Это исследование было частично поддержано Грант-в-помощь для научных исследований (C) 17K01982 в K.Y.
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).
