Elektrofizyolojik Alan Kaydı ile Interlamellar Hipokampus CA1'de Uzun Süreli Sinaptik Plastisitenin Araştırılması
Summary
Biz postitudinal hipokampal beyin dilimleri ve uzunlamasına konumlandırılmış kayıt ve stimülasyon elektrotlar in vivo hücre dışı postinaptik potansiyelleri uyandırmak ve göstermek için kullanılan kayıt ve stimülasyon elektrotlar uzunlamasına interlamellar CA1 boyunca uzun vadeli sinaptik plastisite.
Abstract
Hipokampus sinaptik plastisite çalışma CA3-CA1 lamellar ağ kullanımı üzerinde duruldu. Uzunlamasına interlamellar CA1-CA1 ağına daha az dikkat edilmiştir. Ancak son zamanlarda CA1-CA1 piramidal nöronlar arasında ilişkisel bir bağlantı gösterilmiştir. Bu nedenle hipokampusuzundaki interlamellar CA1-CA1 ağının sinaptik plastisiteyi destekleyip desteklemediğini araştırmak gerekir.
İnlamellar hipokampal CA1 ağında ki uzun süreli sinaptik plastisitenin varlığını veya yokluğunu hem in vivo hem de in vitro elektrofizyolojik alan kayıtlarını kullanarak araştırmak için bir protokol tasarladık. In vivo ekstrasellüler alan kayıtları için, kayıt ve stimülasyon elektrotları uzunlamasına açıyla dorsal hipokampusun septal-temporal eksenine yerleştirildi, alan uyarıcı postsinaptik potansiyelleri uyandırmak için. İn vitro ekstrasellüler alan kayıtları için hipokampal boylamsal dilimler septal-temporal düzleme paralel olarak kesildi. Kayıt ve stimülasyon elektrotları uzunlamasına eksen boyunca hipokampus un stratum oriens (S.O) ve stratum radiatum (S.R) yerleştirildi. Bu bize uyarılmış uyarıcı postsinaptik potansiyellerin yön ve katman özgüllüğünü araştırmak için etkin. Zaten kurulan protokoller uzun vadeli potentiation (LTP) ve uzun vadeli depresyon (LTD) hem in vivo ve in vitro neden kullanılmıştır. Sonuçlarımız, uzunlamasına interlamellar CA1 ağının yön veya tabaka özgüllüğü olmayan N-metil-D-aspartat (NMDA) reseptöre bağımlı uzun vadeli potansiyasyonu (LTP) desteklediğini göstermiştir. Interlamellar ağ, ancak, enine lamellar ağ aksine, herhangi bir önemli uzun vadeli depresyon (LTD) ile mevcut değildi.
Introduction
Hipokampus yaygın bilişsel çalışmalarda kullanılmıştır1,2,3. Enine eksendeki hipokampal lamellar ağı, dentat girus, CA3 ve CA1 bölgelerinden oluşan tri-sinaptik devreyi oluşturur. Lamellar ağ paralel ve bağımsız birim4,5olarak kabul edilir. Bu lamellar bakış açısı hipokampusun hem in vivo hem de in vitro elektrofizyolojik çalışmaları için enine oryantasyon ve enine dilimlerin kullanımını etkilemiştir. Ortaya çıkan araştırmalar ışığında lamellar hipotezi6 yeniden değerlendirilmekte ve hipokampusun interlamellar ağına da önem verilmektedir. Hipokampal interlamellar ağ ile ilgili olarak, CA3 bölge uzun araştırılmıştır7,8,9,10, ancak uzunlamasına CA1 hipokampal bölge aldı yakın zamana kadar nispeten az dikkat. CA1 interlamellar ağı ile ilgili olarak, sıçanların dorsoventral longitudinal hipokampal CA1 ekseni boyunca kısa vadeli sinaptik özellikleri11değişir gösterilmiştir . Ayrıca, hipokampal hücre kümeleri faz ve yer yanıt sıçanlarda hipokampus uzunlamasına eksen boyunca sistematik olarak düzenlenmiş olduğu tespit edilmiştir, kısa süreli bellek görevi geçiyor12. Ayrıca, epileptik nöbet aktiviteleri uzunlamasına eksen boyunca tüm hipokampus boyunca senkronize olduğu bulunmuştur13.
Ancak uzunlamasına CA1 hipokampal bölgenin çoğu çalışmalar, CA3 CA1 bölgeleri 11,14,15giriş kullandık. Uzunlamasına beyin dilimleri yapmak için benzersiz bir protokol kullanarak, önceki çalışmamız uzunlamasına eksen boyunca CA1 piramidal nöronların derneksel bağlantı gösterdi ve etkili nöronal sinyal işleme yeteneğini dahil16. Ancak, enine giriş olmadan uzunlamasına eksen boyunca CA1 piramidal nöronların uzun vadeli sinaptik plastisiteyi destekleyip destekleyemeyeceğini belirlemek gerekir. Bu bulgu hipokampus ile ilgili nörolojik sorunların araştırılmasına başka bir açı ekleyebilir.
Nöronların bilgi aktarımının etkinliğini adapte etme yeteneği sinaptik plastisite olarak bilinir. Sinaptik plastisite öğrenme ve bellek gibi bilişsel süreçler için altta yatan mekanizma olarak ima edilir17,18,19,20. Uzun süreli sinaptik plastisite ya uzun vadeli potentiation olarak gösterilmiştir (LTP), hangi nöronal yanıt Güçlendirilmesi temsil eder, ya da uzun süreli depresyon (LTD), hangi nöronal yanıtın zayıflamasını temsil eder. Hipokampusun enine ekseninde uzun süreli sinaptik plastisite incelenmiştir. Ancak, Bu CA1 piramidal nöronların hipokampal uzunlamasına ekseninde uzun vadeli sinaptik plastisite göstermek için ilk çalışmadır.
Yang ve ark.16tarafından kullanılan bir protokolden bina, biz CA1 piramidal nöronların hipokampal uzunlamasına ekseninde LTP ve LTD göstermek için protokol tasarlanmıştır. Biz in vitro deneyler için 5-9 hafta eski ve 6-12 hafta in vivo deneyler için eski yaşları arasında değişen C57BL6 erkek fareler kullanılır. Bu ayrıntılı makale, farelerden gelen uzunlamasına hipokampal beyin dilimlerinin in vitro kayıtlar için nasıl elde edildiğini ve in vivo kayıtların boylamsal eksende nasıl kaydedildiğini göstermektedir. İn vitro kayıtlar için hipokampusun septal ve temporal ucunu hedef alarak uzunlamasına CA1 sinaptik plastisitenin yönlü özgüllüğünü araştırdık. Ayrıca hipokampusun stratum oriens ve stratum radiatum’undan kayıt yaparak uzunlamasına CA1 sinaptik plastisitenin tabaka özgüllüğünü araştırdık. In vivo kayıtları için, hipokampusuzun uzunlamasına yönüne en iyi karşılık gelen açıları araştırdık.
Hem in vivo hem de in vitro hücre dışı alan kayıtlarını kullanarak, uzunlamasına bağlı CA1 piramidal nöronların LTD ile değil LTP ile sunulduğunu gözlemledik. Ancak hem CA3 hem de CA1 nöronlarını içeren enine oryantasyon hem LTP hem de LTD’yi destekler. Enine ve hipokampus uzunlamasına yönelim arasındaki sinaptik yetenekleri ayrım spekülatif fonksiyonel bağlantı farklılıkları anlamına gelebilir. Sinaptik yeteneklerindeki farklılıkları çözmek için başka deneylere ihtiyaç vardır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokol, hipokampus in vitro uzunlamasına CA1-CA1 ekseninde beyin dilimlerinin yanı sıra in vivo’da uzun süreli sinaptik plastisiteyi tetikleme yöntemini göstermektedir. Özetlenen adımlar, bir deneycinin LTP ve LTD’yi uzunlamasına hipokampal CA1-CA1 bağlantısında araştırmasına yetecek kadar ayrıntı verir. Alan uyarıcı potansiyellerini başarılı bir şekilde kaydetmek için gereken becerileri geliştirmek için pratik yapmak gerekir.
Uygulamaya ihtiyaç duymanın yanı sı…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Incheon Ulusal Üniversitesi (Uluslararası Kooperatif) Araştırma Bursu tarafından desteklenmiştir. Biz bazı veri toplama ile yardımcı olduğu için Bayan Gona Choi teşekkür etmek isteriz.
Materials
| Atropine Sulphate salt monohydrate, ≥97% (TLC), crystalline | Sigma-Aldrich | 5908-99-6 | Stored in Dessicator |
| Axon Digidata 1550B | |||
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | 10035-04-8 | |
| Clampex 10.7 | |||
| D-(+)-Glucose ≥ 99.5% (GC) | Sigma-Aldrich | 50-99-7 | |
| Eyegel | Dechra | ||
| Isoflurane | RWD Life Sciences | R510-22 | |
| Magnesium chloride hexahydrate, BioXtra, ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 7791-18-6 | |
| Matrix electrodes, Tungsten | FHC | 18305 | |
| Multiclamp 700B Amplifier | |||
| Potassium chloride, BioXtra, ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | |
| Potassium phosphate monobasic anhydrous ≥99% | Sigma-Aldrich | 7778-77-0 | Stored in Dessicator |
| Pump | Longer precision pump Co., Ltd | T-S113&JY10-14 | |
| Silicone oil | Sigma-Aldrich | 63148-62-9 | |
| Sodium Bicarbonate, BioXtra, 99.5-100.5% | Sigma-Aldrich | 144-55-8 | |
| Sodium Chloride, BioXtra, ≥99.5% (AT) | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| Sodium phosphate monobasic, powder | Sigma-Aldrich | 7558-80-7 | |
| Sucrose, ≥ 99.5% (GC) | Sigma-Aldrich | 57-50-1 | |
| Temperature controller | Warner Instruments | TC-324C | |
| Tungsten microelectrodes | FHC | 20843 | |
| Urethane, ≥99% | Sigma-Aldrich | 51-79-6 | |
| Vibratome | Leica | VT-1200S | |
| Water bath | Grant Instruments | SAP12 |
References
- Levy, W. B. A sequence predicting CA3 is a flexible associator that learns and uses context to solve hippocampal-like tasks. Hippocampus. 6 (6), 579-590 (1996).
- Eldridge, L. L., Knowlton, B. J., Furmanski, C. S., Bookheimer, S. Y., Engel, S. A. Remembering episodes: A selective role for the hippocampus during retrieval. Nature Neuroscience. 3 (11), 1149-1152 (2000).
- Sullivan Giovanello, K., Schnyer, D. M., Verfaellie, M. A critical role for the anterior hippocampus in relational memory: evidence from an fMRI study comparing associative and item recognition. Hippocampus. 14 (1), 5-8 (2004).
- Andersen, P., Bland, B., Dudar, J. D. Organization of the hippocampal output. Experimental Brain Research. 17 (2), 152-168 (1973).
- Andersen, P., Bliss, T. V. P., Skrede, K. K. Lamellar organization of hippocampal excitatory pathways. Experimental Brain Research. 13 (2), 222-238 (1971).
- Sloviter, R., Lømo, T. Updating the Lamellar Hypothesis of Hippocampal Organization. Frontiers in Neural Circuits. 6 (102), (2012).
- Ishizuka, N., Weber, J., Amaral, D. G. Organization of intrahippocampal projections originating from CA3 pyramidal cells in the rat. Journal of Comparative Neurology. 295 (4), 580-623 (1990).
- Tamamaki, N., Nojyo, Y. Crossing fiber arrays in the rat hippocampus as demonstrated by three-dimensional reconstruction. Journal of Comparative Neurology. 303 (3), 435-442 (1991).
- Swanson, L., Wyss, J., Cowan, W. An autoradiographic study of the organization of intrahippocampal association pathways in the rat. Journal of Comparative Neurology. 181 (4), 681-715 (1978).
- Rebola, N., Carta, M., Mulle, C. Operation and plasticity of hippocampal CA3 circuits: implications for memory encoding. Nature Reviews Neuroscience. 18 (4), 208 (2017).
- Papaleonidopoulos, V., Trompoukis, G., Koutsoumpa, A., Papatheodoropoulos, C. A gradient of frequency-dependent synaptic properties along the longitudinal hippocampal axis. BMC Neuroscience. 18 (1), 79 (2017).
- Hampson, R. E., Simeral, J. D., Deadwyler, S. A. Distribution of spatial and nonspatial information in dorsal hippocampus. Nature. 402, 610 (1999).
- Umeoka, S. C., Lüders, H. O., Turnbull, J. P., Koubeissi, M. Z., Maciunas, R. J. Requirement of longitudinal synchrony of epileptiform discharges in the hippocampus for seizure generation: a pilot study. Journal of Neurosurgery. 116 (3), 513-524 (2012).
- Fanselow, M. S., Dong, H. W. Are the dorsal and ventral hippocampus functionally distinct structures. Neuron. 65, (2010).
- Milior, G., et al. Electrophysiological properties of CA1 pyramidal neurons along the longitudinal axis of the mouse hippocampus. Scientific Reports. 6, (2016).
- Yang, S., et al. Interlamellar CA1 network in the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (35), 12919-12924 (2014).
- Tsien, J. Z., Huerta, P. T., Tonegawa, S. The Essential Role of Hippocampal CA1 NMDA Receptor–Dependent Synaptic Plasticity in Spatial Memory. Cell. 87 (7), 1327-1338 (1996).
- Bliss, T., Collingridge, G. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature. 361, 31-39 (1993).
- Roman, F., Staubli, U., Lynch, G. Evidence for synaptic potentiation in a cortical network during learning. Brain Research. 418 (2), 221-226 (1987).
- McNaughton, B., Barnes, C., Rao, G., Baldwin, J., Rasmussen, M. Long-term enhancement of hippocampal synaptic transmission and the acquisition of spatial information. Journal of Neuroscience. 6 (2), 563-571 (1986).
- Sun, D. -. g., et al. Long term potentiation, but not depression, in interlamellar hippocampus CA1. Scientific Reports. 8 (1), 5187 (2018).
- Stepan, J., Dine, J., Eder, M. Functional optical probing of the hippocampal trisynaptic circuit in vitro: network dynamics, filter properties, and polysynaptic induction of CA1 LTP. Frontiers in Neuroscience. 9, 160 (2015).
- Milner, A. J., Cummings, D. M., Spencer, J. P., Murphy, K. P. Bi-directional plasticity and age-dependent long-term depression at mouse CA3-CA1 hippocampal synapses. Neuroscience Letters. 367 (1), 1-5 (2004).
- Bogerts, B., et al. Hippocampal CA1 deformity is related to symptom severity and antipsychotic dosage in schizophrenia. Brain. 136 (3), 804-814 (2013).
- Ho, N. F., et al. Progressive Decline in Hippocampal CA1 Volume in Individuals at Ultra-High-Risk for Psychosis Who Do Not Remit: Findings from the Longitudinal Youth at Risk Study. Neuropsychopharmacology. 42, 1361 (2017).
