Evaluación de multiplicidad sináptica mediante electrofisiología Patch-clamp de celulares
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la evaluación de la multiplicidad sináptica funcional utilizando electrofisiología de abrazadera de parche de célula entera en rebanadas de cerebro agudo.
Abstract
En el sistema nervioso central, un par de neuronas forman a menudo múltiples contactos sinápticos o sitios de liberación de neurotransmisor funcional (multiplicidad sináptica). Multiplicidad sináptica es de plástico y cambios a lo largo de desarrollo y en diferentes condiciones fisiológicas, siendo un factor determinante para la eficacia de la transmisión sináptica. Aquí, describimos experimentos para estimar el grado de multiplicidad de sinapsis que termina en una neurona postsináptica dada utilizando electrofisiología de abrazadera de parche de célula entera en rebanadas de cerebro agudo. Concretamente, grabación de pinza de voltaje se utiliza para comparar la diferencia entre la amplitud de las corrientes postsinápticas excitatorias espontáneas (sEPSCs) y miniatura corrientes postsinápticas excitatorias (mEPSCs). La teoría detrás de este método es que las entradas aferentes que exhiben multiplicidad mostrará sEPSCs grande, dependiente del potencial de acción debido a la liberación sincrónica que se produce en cada contacto sináptico. Por el contrario, lanzamiento independiente del potencial de acción (que es asincrónico) generará más pequeño amplitud mEPSCs. Este artículo describe un conjunto de experimentos y análisis para caracterizar la existencia de multiplicidad de synaptic y discute los requisitos y limitaciones de la técnica. Esta técnica puede aplicarse para investigar cómo las diferentes intervenciones conductuales, farmacológicas o ambientales en vivo afectan la organización de contactos sinápticos en diversas áreas del cerebro.
Introduction
Transmisión sináptica es un mecanismo fundamental para la comunicación entre las neuronas y por lo tanto, la función del cerebro. Transmisión sináptica es también lábil y puede cambiar su eficacia de una manera dependiente de la actividad, así como en respuesta a moduladores señales1. Por lo tanto, examinar la función sináptica ha sido un foco clave de la investigación de la neurociencia. Electrofisiología de abrazadera de parche de células enteras es una técnica versátil que nos permite entender, por idear diseños experimentales y análisis de datos, profundidad mecanismos biofísicos y moleculares de la transmisión sináptica. Un enfoque comúnmente utilizado, quizás debido a la simplicidad de la técnica y el concepto, es la medida de miniatura excitatoria/inhibitoria postsináptica (mE / IPSCs) bajo la tensión de la abrazadera de configuración2,3, 4 , 5 , 6. mPSCs individuales representan el flujo de iones a través de receptores ionotrópicos postsinápticos (por ejemplo, receptores AMPA y GABAA ) en respuesta a la Unión de sus respectivos neurotransmisores liberados desde la terminal presináptica 7 . Porque la grabación se obtiene en presencia del voltaje-bloqueado Na+ canal bloqueador tetrodotoxin (TTX), el lanzamiento es independiente del potencial de acción y consiste normalmente en una sola vesícula sináptica que contiene el neurotransmisor. Partiendo de este supuesto, la amplitud media de mPSCs es ampliamente utilizada como una estimación cruda del tamaño cuántico, que representa el número y la funcionalidad de los receptores postsinápticos oponerse un sitio sencillo. Por otra parte, la frecuencia de mPSCs se considera representan una combinación del número total de sinapsis que termina en la célula postsináptica y la probabilidad de liberación promedio. Sin embargo, estos parámetros no miden otra variable-multiplicativity de sinapsis, o multiplicidad sináptica — que es importante para la eficacia de la transmisión sináptica.
Basado en la teoría cuántico de la transmisión sináptica7,8,9, la fuerza de una conexión determinada entre un par de neuronas depende de tres factores: el número de sinapsis funcionales (N), el respuesta postsináptica a la liberación de una sola vesícula sináptica (tamaño cuántico; Q) y la probabilidad de liberación de neurotransmisor (Pr). Multiplicidad de Synaptic es equivalente a N. El desarrollo de multiplicidad de synaptic o la poda de las sinapsis multiplicativas es plástico a lo largo de desarrollo y en enfermedades diferentes Estados3,4,6,10. Por ello, caracterizar multiplicidad sináptica tiene implicaciones importantes para la comprensión de la eficacia de la transmisión sináptica en salud y enfermedad. Técnicas como la microscopia electrónica pueden identificar evidencia estructural de multiplicidad sináptica mediante la detección de múltiples contactos sinápticos origina el axón mismo sobre la misma neurona postsynaptic11,12, 13,14. Sin embargo, estos multisynapses estructuralmente identificados pueden ser funcionalmente silencioso15,16. Examen funcional precisa de N requiere técnicamente difícil métodos electrofisiológicos, como pares grabaciones de celulares que pueden determinar si una conexión determinada tiene múltiples sitios de liberación funcional y mínima enfoques de estimulación que tienen como objetivo reclutar un solo axón putativo.
En este protocolo, se describe un método simple para estimar la multiplicidad sináptica mediante la adopción de un método desarrollado originalmente por Hsia et al2. Esta técnica consiste en la medición de espontánea PSC (sPSCs) y mPSCs mediante electrofisiología de abrazadera de parche de células enteras, que nos permite estimar el grado de multiplicidad sináptica a través de todas las entradas a una determinada neurona. Previamente definida, synaptic multiplicidad refleja el número de sinapsis entre la neurona pre y postsináptica dada. Si múltiples sinapsis son reclutadas en sincronía por un potencial de acción, habrá una alta probabilidad de suma temporal de PSC (es decir cuántico) individual, generando una mayor amplitud PSC. En grabaciones de mPSC (en que los potenciales de acción son bloqueados por TTX), es baja la probabilidad de la suma temporal de los mPSCs (asíncronos). Utilizando este razonamiento, multiplicidad sináptica puede estimarse mediante la comparación de la amplitud de nacionales (con lanzamiento dependiente del potencial de acción) a la amplitud del mPSC.
Para examinar la existencia de multiplicidad Describimos cuatro experimentos y sus análisis mediante EPSCs glutamatérgica como ejemplo. Sin embargo, el mismo enfoque puede ser utilizado para la rápida transmisión de GABAergic/glycinergic (IPSCs). A continuación se describe una breve justificación para cada experimento. En primer lugar, como se explicó anteriormente, multiplicidad sináptica puede estimarse mediante la comparación de la amplitud de sEPSCs a mEPSCs. Existen dos requisitos para ello; axones 1) presinápticas deben disparar un número suficiente de potenciales de acción durante la grabación, y 2) Pr debe ser alta para que múltiples sinapsis liberan neurotransmisores a la llegada de un potencial de acción. Para cumplir estos requisitos, sEPSCs se registró por primera vez en baja Ca2 + artificial líquido cerebroespinal (aCSF) y luego grabados en presencia de una concentración baja del antagonista de canales de K+ , 4-aminopiridina (4-AP) para aumentar la acción potencial disparo y Pr. Entonces potencial de acción de la leña se bloquea por TTX y Pr disminuido por un voltaje Ca2 + bloqueador de canales de Cd2 +. La amplitud de sEPSCs (con 4AP) es comparada con la de mEPSC (con 4AP, TTX y Cd2 +). En el segundo experimento, Ca2 + se sustituye por equimolar Sr2 + en la aCSF a desincronizar la liberación de la vesícula. Como Ca2 + se requiere para la versión sincrónica de vesículas, reemplazo con Sr2 + debe eliminar la sEPSCs de gran amplitud que son indicativos de la multiplicidad. En tercer lugar, mecánico, multiplicidad puede resultar de cualquiera de los dos múltiples contactos sinápticos a la misma neurona postsináptica o liberación multivesicular (es decir, múltiples vesículas lanzadas dentro de un único contacto sináptico)17,18. Para distinguir entre los dos tipos de multiplicidad, el tercer experimento utiliza una baja afinidad, la rápida disociación antagonista competitivo de los receptores AMPA, γ-D-glutamylglycine (γ-DGG)17,18 para determinar si grandes sEPSC son el resultado de la suma temporal de sinapsis independiente o lanzamiento multivesicular actuando sobre una población de superposición de los receptores postsinápticos. Si los eventos de gran amplitud surgen de liberación multivesicular, γ-DGG serán menos eficaces en la inhibición de sEPSCs comparado con el más pequeño más grande, mientras que sEPSCs grandes que surgen de la suma temporal de múltiples contactos sinápticos se verán afectados de manera similar por Γ-DGG. En el cuarto experimento, un método más fisiológico se utiliza para mejorar el potencial de acción disparar, es decir, aferente estimulación sináptica. Ráfagas de actividad sináptica pueden transitorio aumento/facilitar la probabilidad de disparo y liberación de potencial de acción espontáneo de los aferentes estimuladas. Por lo tanto, este enfoque permite multiplicidad de manifestar de una manera más fisiológica.
El siguiente protocolo describe el método para realizar estos experimentos en tejido hipotalámico de ratón. Específicamente, se utilizan las neuronas de la hormona (CRH) liberando corticotropina del núcleo paraventricular del hipotálamo (PVN). Describir los procedimientos para la realización de electrofisiología de celulares patch clamp y explicar los experimentos específicos para probar la multiplicidad sináptica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un requisito importante para un éxito parche abrazadera electrofisiológico experimento es la obtención de rodajas/las células sanas. Nuestro protocolo descrito está optimizado para rebanadas hipotalámicas que contienen neuronas PVN. Otro cerebro áreas pueden requerir modifica soluciones y corte métodos21,22,23,24. Para la grabación, es crítica para aceptar sólo grabaciones estables c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
J.S. Beca Ontario Graduate. Panamá recibió una nueva beca de investigador de investigación de Salud Mental de Canadá. Este trabajo es apoyado por subvenciones de funcionamiento para W.I de las ciencias naturales y Consejo de investigación de ingeniería de Canadá (06106-2015 RGPIN) y el Instituto canadiense de investigación en salud (PJT 148707).
Materials
| 1 ml syringe | BD | 309659 | |
| 10 blade | Fisher Scientific/others | 35698 | |
| 22 blade | VWR/others | 21909-626 | |
| 22 uM syringe filters | Milipore | 09-719-000 | |
| Adson foreceps | Harvard Instruments | 72-8547 | |
| Angled sharp scissors | Harvard Instruments | 72-8437 | |
| Clampex | Molecular Devices | pClamp 10 | |
| Double edge blade | VWR | 74-0002 | |
| Filter paper | Sigma/others | 1001090 | |
| Fine paintbrush | Fisher/various | 15-183-35/various | |
| Gas Dispersion Tube | VWR | LG-8680-120 | |
| Isoflurane | Fresenius Kabi/others | M60303 | |
| Krazy glue | various | various | |
| Mini analysis | Synaptosoft | MiniAnalysis 6 | |
| Osmomoter | Wescor Inc | Model 5600 | |
| Parafilm | Sigma | PM-996 | |
| Pasteur pipette | VWR | 14672-200 | |
| ph meter | Mettler Toledo | FE20-ATC | |
| Rubber bulb | VWR | 82024-550 | |
| Scalpel handle No. 3 | Harvard Instruments | 72-8350 | |
| Scalpel handle No. 4 | Harvard Instruments | 72-8356 | |
| Single edge blade | VWR | 55411-050 | |
| Vibratome slicer | Leica | VT1200S | |
| Water Purification System | Millipore | Milli-Q Academic A10 | |
| Well plate lid | Fisher/various | 07-201-590/various | |
| Chemicals/reagents | |||
| 4-AP | Sigma | 275875 | |
| BAPTA | molecular probes | B1204 | |
| CaCl2*2H2O | Sigma | C7902 | |
| CdCl2 | sigma | 202908 | |
| DNQX | Tocris | 189 | |
| EGTA | Sigma | E3889 | |
| glucose | Sigma | G5767 | |
| HEPES | Sigma | H3375 | |
| K2-ATP | Sigma | A8937 | |
| KCl | Sigma | P9333 | |
| K-gluconate | Sigma | G4500 | |
| MgCl2*6H2O | Sigma | M2670 | |
| Molecular biology grade water | Sigma | W4502-1L | |
| Na3GTP | Sigma | G8877 | |
| NaCl | Bioshop | SOD001.1 | |
| Na-gluconate | Sigma | S2054 | |
| NaH2PO4 | Sigma | 71504 | |
| NaHCO3 | Sigma | S6014 | |
| Picrotoxin | sigma | P1675 | |
| SrCl | Sigma | 255521 | |
| sucrose | Bioshop | SUC507.1 | |
| TTX | Alamone Labs | T-550 | |
| yDGG | Tocris | 6729-55-1 |
References
- Abbott, L. F., Nelson, S. B. Synaptic plasticity: taming the beast. Nature Neuroscience. 3 (Supp), 1178-1183 (2000).
- Hsia, A. Y., Malenka, R. C., Nicoll, R. A. Development of Excitatory Circuitry in the Hippocampus. Journal of Neurophysiology. 79 (4), 2013-2024 (1998).
- Zhan, Y., et al. Deficient neuron-microglia signaling results in impaired functional brain connectivity and social behavior. Nature neuroscience. 17 (3), 400-406 (2014).
- Paolicelli, R. C., et al. Synaptic pruning by microglia is necessary for normal brain development. Science (New York, N.Y). 333 (6048), 1456-1458 (2011).
- Schrader, L. A., Tasker, J. G. Presynaptic Modulation by Metabotropic Glutamate Receptors of Excitatory and Inhibitory Synaptic Inputs to Hypothalamic Magnocellular Neurons. Journal of Neurophysiology. 77 (2), 527 (1997).
- Salter, E. W., Sunstrum, J. K., Matovic, S., Inoue, W. Chronic stress dampens excitatory synaptic gain in the paraventricular nucleus of the hypothalamus. The Journal of Physiology. 596 (17), 4157-4172 (2018).
- Redman, S. Quantal analysis of synaptic potentials in neurons of the central nervous system. Physiological Reviews. 70 (1), 165-198 (1990).
- Del Castillo, J., Katz, B. Quantal components of the end-plate potential. The Journal of physiology. 124 (3), 560-573 (1954).
- Stevens, C. F. Quantal release of neurotransmitter and long-term potentiation. Cell. 72 Suppl, 55-63 (1993).
- Deger, M., Helias, M., Rotter, S., Diesmann, M. Spike-timing dependence of structural plasticity explains cooperative synapse formation in the neocortex. PLoS computational biology. 8 (9), e1002689 (2012).
- van den Pol, A. N., Wuarin, J. P., Dudek, F. E. Glutamate, the dominant excitatory transmitter in neuroendocrine regulation. Science (New York, N.Y). 250 (4985), 1276-1278 (1990).
- Miklós, I. H., Kovács, K. J. Reorganization of synaptic inputs to the hypothalamic paraventricular nucleus during chronic psychogenic stress in rats. Biological Psychiatry. 71 (4), 301-308 (2012).
- Korn, H., Triller, A., Mallet, A., Faber, D. S. Fluctuating responses at a central synapse: n of binomial fit predicts number of stained presynaptic boutons. Science (New York, N.Y.). 213 (4510), 898-901 (1981).
- Tracey, D. J., Walmsley, B. Synaptic input from identified muscle afferents to neurones of the dorsal spinocerebellar tract in the cat. The Journal of physiology. 350, 599-614 (1984).
- Lin, J. W., Faber, D. S. Synaptic transmission mediated by single club endings on the goldfish Mauthner cell. II. Plasticity of excitatory postsynaptic potentials. The Journal of neuroscience the official journal of the Society for Neuroscience. 8 (4), 1313-1325 (1988).
- Atwood, H. L., Tse, F. W. Changes in binomial parameters of quantal release at crustacean motor axon terminals during presynaptic inhibition. The Journal of physiology. 402, 177-193 (1988).
- Li, G. L., Keen, E., Andor-Ardó, D., Hudspeth, A. J., von Gersdorff, H. The unitary event underlying multiquantal EPSCs at a hair cell’s ribbon synapse. The Journal of neuroscience the official journal of the Society for Neuroscience. 29 (23), 7558-7568 (2009).
- Wadiche, J. I., Jahr, C. E. Multivesicular release at climbing fiber-Purkinje cell synapses. Neuron. 32 (2), 301-313 (2001).
- Oliet, S. H., Malenka, R. C., Nicoll, R. A. Bidirectional control of quantal size by synaptic activity in the hippocampus. Science (New York, N.Y.). 271 (5253), 1294-1297 (1996).
- Inoue, W., et al. Noradrenaline is a stress-associated metaplastic signal at GABA synapses. Nature Neuroscience. 16 (5), 605-612 (2013).
- Ting, J. T., Daigle, T. L., Chen, Q., Feng, G. Acute Brain Slice Methods for Adult and Aging Animals: Application of Targeted Patch Clamp Analysis and Optogenetics. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). , 1183-242 (2014).
- Richerson, G. B., Messer, C. Effect of composition of experimental solutions on neuronal survival during rat brain slicing. Experimental neurology. 131 (1), 133-143 (1995).
- Tanaka, Y., Tanaka, Y., Furuta, T., Yanagawa, Y., Kaneko, T. The effects of cutting solutions on the viability of GABAergic interneurons in cerebral cortical slices of adult mice. Journal of neuroscience methods. 171 (1), 118-125 (2008).
- Ye, J. H., Zhang, J., Xiao, C., Kong, J. Q. Patch-clamp studies in the CNS illustrate a simple new method for obtaining viable neurons in rat brain slices: glycerol replacement of NaCl protects CNS neurons. Journal of neuroscience methods. 158 (2), 251-259 (2006).
- Gunn, B. G., et al. Dysfunctional astrocytic and synaptic regulation of hypothalamic glutamatergic transmission in a mouse model of early-life adversity: relevance to neurosteroids and programming of the stress response. Journal of Neuroscience. 33 (50), 19534-19554 (2013).
- Su, H., Alroy, G., Kirson, E. D., Yaari, Y. Extracellular calcium modulates persistent sodium current-dependent burst-firing in hippocampal pyramidal neurons. The Journal of neuroscience the official journal of the Society for Neuroscience. 21 (12), 4173-4182 (2001).
- Frankenhaeuser, B., Hodgkin, A. L. The action of calcium on the electrical properties of squid axons. The Journal of physiology. 137 (2), 218-244 (1957).
- Xiong, G., Metheny, H., Johnson, B. N., Cohen, A. S. A Comparison of Different Slicing Planes in Preservation of Major Hippocampal Pathway Fibers in the Mouse. Frontiers in neuroanatomy. 11, 107 (2017).
