Erişkin Serebellar Dilimlerde Uzun Süreli Depresyon İndüksiyonunun Değerlendirilmesi
Summary
Bazı gen manipüle hayvanlarda, tek bir protokol kullanarak serebellar Purkinje hücrelerinde LTD neden başarısız olabilir, ve LTD ve motor öğrenme arasında bir tutarsızlık olabilir. Gen lemanlı hayvanlarda LTD indüksiyonu değerlendirmek için birden fazla protokol gereklidir. Standart protokoller gösterilir.
Abstract
Sinaptik plastisite öğrenme ve bellek için bir mekanizma sağlar. Serebellar motor öğrenme için, paralel liflerden (PF) Purkinje hücrelerine (PC) sinaptik iletimlerin uzun süreli depresyonu (LTD) motor öğrenmenin temeli olarak kabul edilir ve hem LTD hem de motor öğrenme nin eksiklikleri çeşitli genle manipüle edilmiş hayvanlar. Motor öğrenme yeteneğinin değerlendirilmesi için optokinetik refleks (OKR), vestibüler-göz refleksi (VOR) ve rotarod testi gibi yaygın motor öğrenme setleri kullanıldı. Ancak, GluA2 karboksi sonlandırıcı modifiye knock-in fareler elde edilen sonuçlar, PF-LTD olmamasına rağmen, VOR ve OKR normal adaptasyon gösterdi. Bu raporda, LTD indüksiyon uymuş sadece oda sıcaklığında stimülasyon protokolü bir tür kullanılarak denendi. Böylece, serebellar LTD indüklemek için koşullar yakın fizyolojik sıcaklıkta çeşitli protokoller kullanılarak aynı knock-in mutantlar araştırıldı. Son olarak, LTD’nin bu gen letimli farelerde indüklenebileceği stimülasyon protokolleri bulduk. Bu çalışmada, LTD-indüksiyonu değerlendirmek için bir dizi protokol önerilmiştir, bu da LTD ile motor öğrenimi arasındaki nedensel ilişkinin daha doğru bir şekilde incelenmesine olanak sağlayacaktır. Sonuç olarak, gen leilgili farelerde LTD değerlendirilirken deneysel koşullar çok önemlidir.
Introduction
Serebellar korteksin ayrıntılı nöronal ağların sinaptik organizasyonu, bilgisayarları oluşan, moleküler tabaka internöronlar (sepet ve stellat hücreleri), Golgi hücreleri, granül hücrelerinden PFs, yosunlu lifler ve tırmanma lifleri (CFs), aydınlatılmış edilmiştir uyarma / inhibisyon ve divergence / yakınsama açısından, ve iyi organize devre diyagramı beyincik bir “nöronal makine”1olduğunu ileri sürmüştür , bu “makine” amacı hakkında daha önce hiçbir fikrim olmamasına rağmen. Daha sonra Marr, PC’lere yapılan PF’lerin üçlü kat bir çözümleme ağı2oluşturduğunu ileri sürüler. Ayrıca her CF elemental hareket2için bir serebral talimat ilettiğini önerdi. O PFs ve CF eşzamanlı aktivasyonu PF-PC sinaps aktivitesini artırmak ve PF-PC sinaps uzun vadeli potentiation (LTP) neden olacağını varsaydı. Öte yandan, Albus PFs ve CF senkron aktivasyon PF-PC sinaps3LTD sonuçlandı varsayılır. Yukarıdaki çalışmaların her ikisi de serebellum benzersiz bir bellek cihazı olarak yorumlamak, hangi serebellar kortikal ağ içine dahil Marr-Albus modeli öğrenme makinesi modelioluşumuna yol açar.
Bu teorik tahminlere göre, iki satır lık kanıt sinajik plastisitenin beyincikte varlığını göstermektedir. İlk kanıt satırı flocculus anatomik organizasyonu tarafından önerildi; Burada vestibüler organ kökenli MF yolları ve retina kökenli CF yolları 4′ tebirleşir. Bu eşsiz yakınsama deseni, flocculus’ta meydana gelen bir sinaptik plastisitenin vestibulo-oküler refleksin dikkat çekici adaptasyonuna neden olduğunu göstermektedir. İkinci olarak, flocculus’taki PK’ların yanıtının kaydedilmesi ve flocculus’un lezyonunun da desteklediği yukarıdaki hipotez5,6,7. Ayrıca, bir maymunun el hareketi8 adaptasyon sırasında PC deşarj desen sinaptik plastisite hipotezi, özellikle Albus’s LTD-hipotezimaj 3destekledi.
Doğrudan sinaptik plastisite doğasını belirlemek için, tekrarlanan konjonktif stimülasyon (Cjs) PFs bir paket ve cf özellikle in vivo PC innerve PF-PC sinapsların iletim etkinliği için LTD ikna gösterilmiştir9, 10,11. Bir serebellar dilim12 ve kültürlü bilgisayarları kullanarak sonraki in vitro keşiflerde, co-kültürlü granül hücre stimülasyon ve zeytin hücresi stimülasyon13 veya iyontophoretically uygulanan glutamat ve somatik birlikte depolarizasyon14,15 LTD neden oldu. LTD-indüksiyonun altında yatan sinyal iletim mekanizması da in vitro preparatlar kullanılarak yoğun bir şekilde araştırılmıştır16,17.
VOR ve OKR adaptasyonları genellikle serebellar motor öğrenme gen manipülasyon etkilerinin kantitatif değerlendirilmesi için kullanılmıştır, vestibüle-serebellar korteks VOR adaptif öğrenme temel kökeni olduğu kanıtlanmıştır çünkü18 ,19,20 ve OKR19,21 LTD-indüksiyon başarısızlığı ve davranışsal motor öğrenme bozukluğu arasındaki korelasyon, LTD motor önemli bir rol oynadığını kanıt olarak alınmıştır öğrenme mekanizmaları22. Bu görüşler topluca motor öğrenme LTD hipotezi veya Marr-Albus-Itohipotezi 23,24,25,26olarak adlandırılır .
Göz hareketinin adaptif öğrenme benzer protokoller kullanılarak ölçülür, çeşitli deneysel koşullar dilimhazırlanmasındaLTD ikna etmek için kullanılmıştır 27,28,29,30,31 . Son zamanlarda, Schonewille ve ark.26 bazı gen manipüle fareler normal motor öğrenme gösterdi bildirdi, ama serebellar dilimleri LTD göstermedi, ve bu nedenle LTD motor öğrenme için gerekli olmadığı sonucuna vardı. Ancak, LTD indüksiyon sadece oda sıcaklığında protokol bir tür kullanılarak denendi. Bu nedenle, yaklaşık 30 °C’de kayıt koşullarında çeşitli LTD-indükleme protokolleri kullandık ve LTD’nin bu protokolleri fizyolojik sıcaklıklarda kullanarak genle manipüle edilen farelerde güvenilir bir şekilde indüklendiğini doğruladık32.
Ancak, konjonktif stimülasyontemel özellikleri ile ilgili bazı sorular kalır. İlk karmaşık başak şekli ve LTD genliği arasındaki ilişkidir. İkinci olarak, PF-stimülasyon ve somatik depolarizasyon ile birlikte, kullanılan uyaran ların sayısıgerekli olup olmadığı zor du. Bu çalışmada, bu sorular yabani tip (WT) fareler kullanılarak araştırılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dört protokol arasındaki farklar
LTD-inducing protokolleri 1 ve 2, Cjs 300 kez 1 Hz serebellar LTD stimülasyon frekansı ikna etmek için yeterli dir. Cf stimülasyon frekansı fizyolojik bir aralıkta gibi görünüyordu, uyarı yetişkin farelerde karmaşık başak atış hızı olduğu bildirilmiştir çünkü (P60) 1.25 Hz36olduğu bildirilmiştir . Ancak, CF stimülasyon tek başına PF-CF sinaps uzun vadeli plastisite neden olmadı, protokol1 ve 2 kullanılan gib…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A. Oba’ya teknik yardımları için teşekkür ederiz. Bu araştırma kısmen Bilimsel Araştırma Hibe-in-Aid (C) 17K01982 k.y tarafından desteklenmiştir.
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).
