הערכה של האינדוקציה לטווח ארוך של דיכאון פרוסות למבוגרים בלבד
Summary
בכמה בעלי חיים מניפולציות גנים, באמצעות פרוטוקול אחד עלול להיכשל כדי לגרום בע מ בתאים Purkinje המוח, וייתכן שקיים פער בין בע מ ללמידה מוטורית. פרוטוקולים מרובים נחוצים כדי להעריך את האינדוקציה בע מ בעלי חיים בעלי מניפולציה גנטית. פרוטוקולים רגילים מוצגים.
Abstract
הפלסטיות הסינפטית מספק מנגנון ללמידה ולזיכרון. עבור למידה מוטורית מוטוריים, דיכאון לטווח ארוך (בע מ) של שידורים סינפטית מסיבים מקבילים (PF) כדי Purkinje תאים (PC) נחשב בסיס ללמידה מוטורית, והליקויים של הן בע מ ולמידה מוטורית נצפו במגוון בעלי חיים מניפולציות בגנים. מערכות למידה נפוצות מוטוריות, כגון הסתגלות של רפלקס האופקינטי (OKR), רפלקס השמיעה העינית (VOR), ומבחן rotarod שימשו להערכת יכולת למידה מוטורית. עם זאת, התוצאות שהתקבלו מן הGluA2-קרבוקסיקהטרמינוס שונה בעכברים הראו הסתגלות נורמלית של ה-VOR ו-OKR, למרות החסר PF-LTD. בדוח זה, האינדוקציה של בע מ ניסה רק באמצעות סוג אחד של פרוטוקול גירוי בטמפרטורת החדר. כך, התנאים כדי לגרום המוח בע מ נחקרו באותו מוטציות נקישה-באמצעות פרוטוקולים שונים בסמוך לטמפרטורה פיזיולוגית. בסופו של דבר, מצאנו פרוטוקולים גירוי, אשר ניתן לגרום בע מ בעכברים אלה מניפולציות גנים. במחקר זה, קבוצה של פרוטוקולים מוצעים להערכת בע מ אינדוקציה, אשר לאפשר באופן מדויק יותר את הבדיקה של היחסים סיבתי בין בע מ ולמידה מוטורית. לסיכום, תנאים ניסיוניים הם קריטיים בעת הערכת בע מ בעכברים מניפולציות גנים.
Introduction
הארגון הסינפטיות של הרשתות עצבי הרחיב של קליפת המוח, מורכב של מחשבים, שכבת מולקולרית interneurons (סל ו stellate תאים), בתאי golgi, PFs של תאים גרגר עושה סיבים טחבי וסיבים טיפוס (cfs), הובהר במונחים של עירור/עיכוב והתפצלות/התכנסות, ואת דיאגרמת המעגלים המאורגנים היטב הציע כי המוח התת הוא “מכונה עצבית”1, למרות שקודם לכן לא היה מושג על המטרה של “מכונה” זו. מאוחר יותר הציע מארי שקלט PFs למחשבים מהווה רשת למידה אסוציאטיבית שכבתית משולשת2. הוא גם הציע כי כל CF מעביר הוראה מוחית עבור התנועה האלמנטלים2. הוא הניח כי הפעלה בו זמנית של PFs ו-CF היה לשפר את הפעילות PF-PC סינפציה, ולגרום פוטנציאל לטווח ארוך (LTP) של ה-PF-PC סינפסה. מצד שני, אלבוס הניח כי הפעלה סינכרונית של PFs ו-CF הביא בע מ ב-PF-PC סינפסות3. הן המחקרים לעיל לפרש את המוח הגבוה כהתקן זיכרון ייחודי, שילוב של אשר לתוך הרשת הקרקלית המוח מוביל את היווצרות של דגם מכונת הלמידה של מימאר-אלבוס.
בעקבות תחזיות תאורטיות אלה, שתי שורות של ראיות מרמזות על נוכחות הפלסטיות הסינפטית במוח השני. קו הראיות הראשון הוצע על ידי הארגון האנטומי של הפלוקולוס; כאן MF מסלולים של הגזע שיווי המוני האיברים מסלולים CF של המקור הרשתית להתכנס על מחשבים אישיים4. תבנית ההתכנסות הייחודית הזאת מרמזת כי הפלסטיות הסינפטית המתרחשת בפולוקקולוס גורם ליכולת הסתגלות יוצאת דופן של רפלקס השמיעה. שנית, הקלטת התגובה של המחשבים בתוך הפלוקולוס והלילוקולוס תמכו גם בהשערה המעל5,6,7. יתר על כן, המחשב פריקה דפוס במהלך הסתגלות של תנועת היד של הקוף8 תמך ההשערה הפלסטיות הסינפטית, במיוחד של אלבוס בע מ ההשערה3.
כדי לקבוע את טבעו של הפלסטיות הסינפטית ישירות, וחזר גירוי משלים (Cjs) של צרור של PFs ו-CF כי במיוחד innervates את המחשב ב vivo הוצגה כדי לגרום בע מ עבור יעילות השידור של PF – PC סינפסות9, 10,11. בעקבות בחיפושי מבחנה באמצעות פרוסת מחשב12 ומחשבים בעלי מחשב תרבותי, השילוב של גירוי תא משותף הגרניט ושיתוף של תאים באוליב הזית13 או בצירוף של גלוטמט שהוחלו באופן מתורבת וסומטיים דפולריזציה14,15 גרם בע מ מנגנון התמרה האותות בבסיס האינדוקציה נחקר באופן אינטנסיבי גם בהכנות של מבחנה16,17.
עיבודים של ה-VOR ו-OKR השתמשו לעתים קרובות להערכה כמותית של השפעות מניפולציה גנטית על למידה מוטורית של המוח, בגלל המוח פרוזדור המוח הוכח להיות מקור חיוני בלמידה אדפטיבית של ה-VOR18 ,19,20 ו-okr19,21 הקורלציה בין כישלון של בע מ השראה ופגיעה של למידה מוטורית התנהגותית נלקח כראיה כי בע מ ממלא תפקיד חיוני במנוע מנגנוני למידה22. תצוגות אלה מכונים באופן קולקטיבי ההשערה של למידה מוטורית, או מימאר-אלבוס-היפותזה-איטו23,24,25,26.
למידה אדפטיבית של תנועת העין נמדד באמצעות פרוטוקולים דומים, בעוד מצבים ניסיוניים שונים שימשו כדי לגרום בע מ הכנת פרוסה27,28,29,30,31 . לאחרונה, Schonewille ואח ‘26 דיווחו כי כמה עכברים מניפולציות גנים הפגינו למידה רגילה מוטוריים, אבל הפרוסות המוח לא הראו בע מ, ובכך סיכם כי בע מ לא היה חיוני ללמידה מוטורית. עם זאת, האינדוקציה של בע מ ניסה רק באמצעות סוג אחד של פרוטוקול בטמפרטורת החדר. לפיכך, השתמשנו במספר סוגים של פרוטוקולים מבוססי בע מ בתנאי הקלטה בסביבות 30 ° c, ואנו אישרו כי בע מ המושרה באופן אמין בעכברים מניפולציות הגן באמצעות פרוטוקולים אלה בסמוך לטמפרטורות פיזיולוגיות32.
עם זאת, נותרו מספר שאלות בנוגע לתכונות הבסיסיות של גירוי משלים. הראשון הוא הקשר בין הצורה של ספייק מורכב משרעת בע מ. שנית, בשילוב עם גירוי של PF ודפולריזציה סומטיים, בין אם מספר הגירויים היה הכרחי או לא היה חמקמק. במחקר הנוכחי, שאלות אלה נחקרו באמצעות סוג פראי (WT) עכברים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הבדלים בין ארבעת הפרוטוקולים
בפרוטוקולים מסוג 1 ו-2, Cjs 300 פעמים ב-1 Hz מספיק כדי לגרום למוח בע מ. תדירות גירוי של CF נראה להיות בטווח פיזיולוגי, כי שיעור הירי המורכב ספייק בזמן התראה עכברים מבוגרים (P60) דווחה להיות 1.25 Hz36. עם זאת, הגירוי CF לבדו לא לגרום פלסטיות לטווח ארוך …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לא. קובה על הסיוע הטכני שלה. מחקר זה היה נתמך באופן חלקי על ידי גרנט בסיוע עבור מחקר מדעי (C) 17K01982 כדי 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).
