Elektrofysiologisk undersøkelser av Retinogeniculate og Corticogeniculate synapse funksjon
Summary
Her presenterer vi protokoller for utarbeidelse av akutte hjerne skiver som inneholder lateral geniculate kjernen og elektrofysiologisk undersøkelse av retinogeniculate og corticogeniculate synapser funksjon. Denne protokollen gir en effektiv måte å studere synapser med høy-Release og lav-Release sannsynlighet i samme akutte hjerne skiver.
Abstract
Den laterale geniculate kjernen er den første reléstasjon for den visuelle informasjonen. Relay neurons av denne thalamic kjernen integrere innspill fra retinal Ganglion celler og projisere det til den visuelle cortex. I tillegg relé neurons motta ovenfra og ned eksitasjon fra cortex. De to viktigste eksitatoriske innganger til stafetten neurons variere i flere aspekter. Hver stafett Nevron mottar innspill fra bare noen få retinogeniculate synapser, som er store terminaler med mange Release nettsteder. Dette gjenspeiles av sammenlignbare sterke eksitasjon, stafetten neurons motta, fra retinal Ganglion celler. Corticogeniculate synapser, i kontrast, er enklere med få Release nettsteder og svakere Synaptic styrke. De to synapser også avvike i sine Synaptic kort sikt plastisitet. Retinogeniculate synapser har høy Release sannsynlighet og dermed vise en kortsiktig depresjon. I kontrast, corticogeniculate synapser har en lav Release sannsynlighet. Corticogeniculate fibre Traverse retikulære thalamic kjerner før du går inn i lateral geniculate kjernen. De ulike plasseringene av retikulære thalamic kjernen (rostrally fra lateral geniculate nucleus) og optiske skrift (ventro-sideveis fra lateral geniculate nucleus) tillate stimulerende corticogeniculate eller retinogeniculate synapser separat med ekstracellulære stimulering elektroder. Dette gjør lateral geniculate kjernen en ideell hjerne område der to eksitatoriske synapser med svært forskjellige egenskaper impinging på samme celle type, kan bli studert samtidig. Her beskriver vi en metode for å undersøke innspillingen fra relé neurons og å utføre detaljert analyse av retinogeniculate og corticogeniculate synapse funksjon i akutte hjerne skiver. Artikkelen inneholder en trinnvis protokoll for generering av akutte hjerne skiver av lateral geniculate kjernen og trinn for innspilling av aktivitet fra relé neurons ved å stimulere den optiske kanalen og corticogeniculate fibre separat.
Introduction
Relay neurons av lateral geniculate kjernen integrere og relé visuell informasjon til den visuelle cortex. Disse neurons motta eksitatoriske innspill fra Ganglion celler via retinogeniculate synapser, som gir de viktigste eksitatoriske stasjonen for relé neurons. I tillegg relé neurons motta eksitatoriske innganger fra kortikale neurons via corticogeniculate synapser. Videre relé neurons motta hemmende innganger fra lokale interneurons og GABAergic neurons av kjernen reticularis thalami1. Kjernen reticularis thalami er til stede som et skjold mellom thalamus og cortex slik at fibrene projiserer fra cortex til thalamus og i motsatt retning må gå gjennom kjernen reticularis thalami2.
Retinogeniculate innganger og corticogeniculate innganger viser distinkte Synaptic egenskaper3,4,5,6,7,8. Retinogeniculate innganger danner store terminaler med flere Release nettsteder9,10. I kontrast, corticogeniculate innganger vise små terminaler med én utgivelse nettsteder7. I tillegg, retinogeniculate synapser effektivt drive handling potensialer for relé neurons tross utgjør bare 5 − 10% av alle synapser på stafett neurons3,8,11. Corticogeniculate synapser, derimot, fungerer som en modulator av retinogeniculate sendinger ved å kontrollere membranen potensialet i relé neurons12,13.
Disse to viktigste eksitatoriske innganger til stafett neurons er også funksjonelt annerledes. En fremtredende forskjell er kortsiktig depresjon av retinogeniculate synapser og kortsiktig tilrettelegging av corticogeniculate synapser3,5,8. Kortsiktige plastisitet refererer til et fenomen der Synaptic styrke endres når synapse er gjentatte ganger aktiv innen en periode på noen millisekunder til flere sekunder. Synaptic Release sannsynlighet er en viktig faktor underliggende kortsiktige plastisitet. Synapser, med en lav første utgivelse sannsynlighet, viser kortsiktig tilrettelegging på grunn av oppbygging av ca2 + i presynapse og følgelig en økning i utgivelsen sannsynligheten er observert ved gjentatt aktivitet. I kontrast, synapser med høy Release sannsynlighet vanligvis vise kortsiktig depresjon på grunn av tømming av ferdige releasable blemmer14. I tillegg bidrar desensitization av postsynaptic reseptorer til den kortsiktige plastisitet i noen High-Release sannsynlighet synapser8,15. Høy Release sannsynlighet og desensitization av α-amino-3-AHA-5-metyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) reseptorer bidra til fremtredende kortsiktig depresjon av retinogeniculate synapser. I kontrast er lav-Release sannsynlighet ligger på kort sikt tilrettelegging av corticogeniculate synapser.
I mus, kommer den optiske kanalen inn i rygg geniculate kjernen (dLGN) fra caudolateral stedet, mens corticogeniculate fibre kommer inn i dLGN-rostroventrally. Avstanden mellom de to innganger gjør det mulig for etterforskningen av de enkelte egenskapene til to svært forskjellige eksitatoriske innganger impinging på samme celle. Her bygger vi på og forbedrer en tidligere beskrevet disseksjon metode der retinogeniculate og corticogeniculate fibre er bevart i akutte hjerne skiver3. Deretter beskriver vi den elektrofysiologisk etterforskningen av relé neurons og stimulering av retinogeniculate og corticogeniculate fibre med ekstracellulære stimulering elektroder. Til slutt gir vi en protokoll for fylling av relé neurons med biocytin og påfølgende anatomiske analyser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver en forbedret protokoll basert på en tidligere publisert metode3, som gjør det mulig for etterforskningen av den høye sannsynligheten for Release retinogeniculate synapser og lav sannsynlighet for Release corticogeniculate synapser fra samme stykke. Dette er av stor betydning siden disse to innganger samhandle med hverandre for å modulere den visuelle signaloverføring: retinogeniculate innganger er de viktigste eksitatoriske kjøring av relé neurons, mens corticothalamic inngange…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har blitt finansiert av den tyske Forskningsstiftelsen (DFG) i Collaborative Research Center (SFB) 1134 “funksjonell ensembler” (J.v.E. og X.C.) og Research Grant EN948/1-2 (J.v.E.).
Materials
| Amplifier | HEKA Elektronik | EPC 10 USB Double patch clamp amplifier | |
| Biocytin | Sigma-Aldrich | B4261-250MG | |
| CaCl2 | EMSURE | 1.02382.1000 | |
| choline chloride | Sigma-Aldrich | C1879-1KG | |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Leica Microsystems | TCS SP5 | |
| CsCl | EMSURE | 1.02038.0100 | |
| Cs-gluconate | Self-prepared | Since there was no commercial Cs-gluconate, we prepared it by ourselves | |
| D-600 | Sigma-Aldrich | M5644-50MG | methoxyverapamil hydrochloride |
| D-APV | Biotrend | BN0085-100 | NMDA-receptor antagonist |
| Digital camera for microscope | Olympus | XM10 | |
| EGTA | SERVA | 11290.02 | |
| Forene | Abbvie | 2594.00.00 | isoflurane |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 49159-1KG | |
| HEPES | ROTH | 9105.2 | |
| High Current Stimulus Isolator | World Precision Instruments | A385 | |
| KCl | EMSURE | 1.04936.1000 | |
| MgCl2 | EMSURE | 1.05833.0250 | |
| Micromanipulators | Luigs & Neumann | SM7 | |
| Miroscope | Olympus | BX51 | |
| mounting medium | ThermoFisher Scientific | P36930 | Prolong Gold Invitrogen |
| NaCl | ROTH | 3957.1 | |
| NaH2PO4 | EMSURE | 1.06346.1000 | |
| NaHCO3 | EMSURE | 1.06329.1000 | |
| Pipette | Hilgenberg | 1807502 | |
| Puller | Sutter | P-1000 | |
| razor blade | Personna | 60-0138 | |
| Semiautomatic Vibratome | Leica Biosystems | VT1200S | |
| SR 95531 hydrobromide | Biotrend | AOB5680-10 | GABAA-receptor antagonist |
References
- Guido, W. Development, form, and function of the mouse visual thalamus. Journal of Neurophysiology. 120, 211-225 (2018).
- Guillery, R. W., Feig, S. L., Lozsadi, D. A. Paying attention to the thalamic reticular nucleus. Trends in Neurosciences. 21, 28-32 (1998).
- Turner, J. P., Salt, T. E. Characterization of sensory and corticothalamic excitatory inputs to rat thalamocortical neurones in vitro. The Journal of Physiology. 510 (3), 829-843 (1998).
- Lindstrom, S., Wrobel, A. Frequency dependent corticofugal excitation of principal cells in the cat’s dorsal lateral geniculate nucleus. Experimental Brain Research. 79, 313-318 (1990).
- Granseth, B., Ahlstrand, E., Lindstrom, S. Paired pulse facilitation of corticogeniculate EPSCs in the dorsal lateral geniculate nucleus of the rat investigated in vitro. The Journal of Physiology. 544, 477-486 (2002).
- Hamos, J. E., Van Horn, S. C., Raczkowski, D., Uhlrich, D. J., Sherman, S. M. Synaptic connectivity of a local circuit neurone in lateral geniculate nucleus of the cat. Nature. 317, 618-621 (1985).
- Kielland, A., et al. Activity patterns govern synapse-specific AMPA receptor trafficking between deliverable and synaptic pools. Neuron. 62, 84-101 (2009).
- Chen, C., Regehr, W. G. Developmental remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 28, 955-966 (2000).
- Budisantoso, T., Matsui, K., Kamasawa, N., Fukazawa, Y., Shigemoto, R. Mechanisms underlying signal filtering at a multisynapse contact. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 32, 2357-2376 (2012).
- Morgan, J. L., Berger, D. R., Wetzel, A. W., Lichtman, J. W. The Fuzzy Logic of Network Connectivity in Mouse Visual Thalamus. Cell. 165, 192-206 (2016).
- Usrey, W. M., Reppas, J. B., Reid, R. C. Paired-spike interactions and synaptic efficacy of retinal inputs to the thalamus. Nature. 395, 384-387 (1998).
- Steriade, M., Jones, E. G., McCormick, D. A. . Thalamus. , (1997).
- Wang, W., Jones, H. E., Andolina, I. M., Salt, T. E., Sillito, A. M. Functional alignment of feedback effects from visual cortex to thalamus. Nature Neuroscience. 9, 1330-1336 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Review of Physiology. 64, 355-405 (2002).
- Chen, C., Blitz, D. M., Regehr, W. G. Contributions of receptor desensitization and saturation to plasticity at the retinogeniculate synapse. Neuron. 33, 779-788 (2002).
- Chen, X., Aslam, M., Gollisch, T., Allen, K., von Engelhardt, J. CKAMP44 modulates integration of visual inputs in the lateral geniculate nucleus. Nature Communications. 9, 261 (2018).
- Krahe, T. E., El-Danaf, R. N., Dilger, E. K., Henderson, S. C., Guido, W. Morphologically distinct classes of relay cells exhibit regional preferences in the dorsal lateral geniculate nucleus of the mouse. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 31, 17437-17448 (2011).
- von Engelhardt, J., et al. CKAMP44: a brain-specific protein attenuating short-term synaptic plasticity in the dentate gyrus. Science. 327, 1518-1522 (2010).
- Khodosevich, K., et al. Coexpressed auxiliary subunits exhibit distinct modulatory profiles on AMPA receptor function. Neuron. 83, 601-615 (2014).
- Farrow, P., et al. Auxiliary subunits of the CKAMP family differentially modulate AMPA receptor properties. eLife. 4, e09693 (2015).
- Rafols, J. A., Valverde, F. The structure of the dorsal lateral geniculate nucleus in the mouse. A Golgi and electron microscopic study. The Journal of Comparative Neurology. 150, 303-332 (1973).
- Hauser, J. L., Liu, X., Litvina, E. Y., Chen, C. Prolonged synaptic currents increase relay neuron firing at the developing retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 112, 1714-1728 (2014).
- Hooks, B. M., Chen, C. Distinct roles for spontaneous and visual activity in remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 52, 281-291 (2006).
- Liu, X., Chen, C. Different roles for AMPA and NMDA receptors in transmission at the immature retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 99, 629-643 (2008).
- Govindaiah, G., Cox, C. L. Metabotropic glutamate receptors differentially regulate GABAergic inhibition in thalamus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 26, 13443-13453 (2006).
- Fogerson, P. M., Huguenard, J. R. Tapping the Brakes: Cellular and Synaptic Mechanisms that Regulate Thalamic Oscillations. Neuron. 92, 687-704 (2016).
- Jacobsen, R. B., Ulrich, D., Huguenard, J. R. GABA(B) and NMDA receptors contribute to spindle-like oscillations in rat thalamus in vitro. Journal of Neurophysiology. 86, 1365-1375 (2001).
- Kulik, A., et al. Distinct localization of GABA(B) receptors relative to synaptic sites in the rat cerebellum and ventrobasal thalamus. The European Journal of Neuroscience. 15, 291-307 (2002).
- Gutierrez, C., Cox, C. L., Rinzel, J., Sherman, S. M. Dynamics of low-threshold spike activation in relay neurons of the cat lateral geniculate nucleus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 21, 1022-1032 (2001).
- Armstrong, C. M., Gilly, W. F. Access resistance and space clamp problems associated with whole-cell patch clamping. Methods in Enzymology. 207, 100-122 (1992).
- White, J. A., Sekar, N. S., Kay, A. R. Errors in persistent inward currents generated by space-clamp errors: a modeling study. Journal of Neurophysiology. 73, 2369-2377 (1995).
- Clay, J. R., Shlesinger, M. F. Analysis of the effects of cesium ions on potassium channel currents in biological membranes. Journal of Theoretical Biology. 107, 189-201 (1984).
