التحقيق في اللدونة متشابك على المدى الطويل في Interlamellar Hippocampus CA1 عن طريق تسجيل المجال الكهرولوجيسي
Summary
استخدمنا الأقطاب الكهربائية للتسجيل والتحفيز في شرائح الدماغ فرس النهر الطولية وأقطاب التسجيل والتحفيز ذات الوضع الطولي في الحصين الظهري في الجسم الحي لاستحضار الإمكانات خارج الخلية وتثبت اللدونة متشابك على المدى الطويل على طول INTERlamellar طولية CA1.
Abstract
وقد ركزت دراسة اللدونة متشابك في الحصين على استخدام شبكة CA3-CA1 lamellar. وقد أولي اهتمام أقل لشبكة INTERlamellar CA1-CA1 الطولية. في الآونة الأخيرة ومع ذلك، تم عرض اتصال اقتراني بين الخلايا العصبية الهرمية CA1-CA1. لذلك، هناك حاجة للتحقيق في ما إذا كانت شبكة interlamellar طولية CA1-CA1 من الحصين يدعم اللدونة متشابك.
قمنا بتصميم بروتوكول للتحقيق في وجود أو عدم وجود اللدونة متشابك على المدى الطويل في شبكة CA1 فرس النهر interlamellar باستخدام التسجيلات الميدانية الكهرولوجية على حد سواء في الجسم الحي وفي المختبر. لفي التسجيلات الميدانية خارج الخلية الحية، تم وضع أقطاب التسجيل والتحفيز في محور الحاجز الزمني للالحصين الظهري في زاوية طولية، لاستحضار الإمكانات الميدانية المحفزة. أما بالنسبة للتسجيلات الميدانية خارج الخلية في المختبر، فقد تم قطع الشرائح الطولية في فرس النهر بالتوازي مع المستوى الحاجز الزمني. تم وضع أقطاب التسجيل والتحفيز في الطبقة oriens (S.O) وطبقة الراديوتوم (S.R) من الحصين على طول المحور الطولي. وقد مكننا ذلك من التحقيق في خصوصية الاتجاه والطبقة للإمكانات المحفزة التي تثيرها. وقد استُخدمت البروتوكولات المنشأة بالفعل للحث على التقوية على المدى الطويل والاكتئاب الطويل الأجل في كل من الجسم الحي والمختبر. أظهرت نتائجنا أن شبكة INTERlamellar CA1 الطولية تدعم N-methyl-D-aspartate (NMDA) تعتمد على مستقبلات التقوية على المدى الطويل (LTP) مع عدم وجود تحديد الاتجاه أو طبقة. غير أن شبكة إنترلاميلار، على النقيض من شبكة لاميلار العرضية، لم تكن موجودة مع أي اكتئاب كبير طويل الأجل (LTD).
Introduction
وقد استخدمت على نطاق واسع الحصين في الدراسات المعرفية1,2,3. تشكل شبكة لاميلار فرس النهر في المحور المستعرض الدوائر ثلاثية المشبك التي تتكون من مناطق الكُرس وCA3 وCA1. وتعتبر شبكة lamellar لتكون وحدة موازية ومستقلة4،5. وقد أثرت وجهة نظر لاميلار هذه على استخدام الاتجاه العرضي والشرائح العرضية لكل من الدراسات الكهرولوجية في المختبر في الحصين. في ضوء البحوث الناشئة، يتم إعادة تقييم فرضية lamellar6 ويتم إيلاء الاهتمام أيضا لشبكة interlamellar من الحصين. فيما يتعلق بشبكة فرس النهر interlamellar، وقد تم التحقيقمنذ فترة طويلة منطقة CA3 7،8،9،10،ولكن المنطقة الطولية CA1 فرس النهر تلقت اهتمام قليل نسبيا حتى وقت قريب. وفيما يتعلق بشبكة CA1 interlamellar، وقد تبين أن خصائص متشابك على المدى القصير على طول محور فرس النهر الطولي دورسوفينال CA1 من الفئران تختلف11. أيضا، تم العثور على مجموعات من خلايا فرس النهر الاستجابة للمرحلة والمكان ليتم ترتيبها بشكل منهجي على طول المحور الطولي من الحصين في الفئران، وتمر مهمة الذاكرة على المدى القصير12. أيضا، تم العثور على أنشطة النوبات الصرعية لتكون متزامنة على طول الحصين كله على طول المحور الطولي13.
معظم الدراسات من منطقة فرس النهر CA1 الطولية ومع ذلك، وقد استخدمت المدخلات من CA3 إلى المناطق CA111،14،15. باستخدام بروتوكول فريد من نوعه لجعل شرائح الدماغ الطولية، أظهر عملنا السابق الاتصال الارتباطي للخلايا العصبية الهرمية CA1 على طول المحور الطولي وتورط في قدرته على معالجة الإشارات العصبية بشكل فعال16. ومع ذلك، هناك حاجة لتحديد ما إذا كانت الخلايا العصبية الهرمية CA1 على طول المحور الطولي دون مدخلات عرضية يمكن أن تدعم اللدونة متشابك على المدى الطويل. هذا الاستنتاج يمكن أن تضيف زاوية أخرى في التحقيقات في القضايا العصبية المتعلقة الحصين.
ومن المعروف قدرة الخلايا العصبية على تكييف فعالية نقل المعلومات كما اللدونة متشابك. اللدونة متشابك متورط كآلية أساسية للعمليات المعرفية مثل التعلم والذاكرة17،18،19،20. يتم إثبات اللدونة متشابك على المدى الطويل إما التقوية على المدى الطويل (LTP)، والذي يمثل تعزيز استجابة الخلايا العصبية، أو الاكتئاب على المدى الطويل (LTD)، والذي يمثل ضعف استجابة الخلايا العصبية. وقد درست اللدونة متشابك على المدى الطويل في المحور العرضي للالحصين. ومع ذلك، هذه هي الدراسة الأولى لإظهار اللدونة متشابك على المدى الطويل في محور طولي فرس النهر من الخلايا العصبية الهرمية CA1.
بناء من بروتوكول المستخدمة من قبل يانغ وآخرون16، قمنا بتصميم البروتوكول لإظهار LTP وLTD في محور طولي فرس النهر من الخلايا العصبية الهرمية CA1. استخدمنا الفئران الذكور C57BL6 مع أعمار تتراوح بين 5-9 أسابيع من العمر للتجارب في المختبر و 6-12 أسابيع من العمر لفي تجارب الجسم الحي. تُظهر هذه المقالة التفصيلية كيف تم الحصول على شرائح الدماغ الطولي من الفئران للتسجيلات المختبرية وكيف تم تسجيل التسجيلات في الجسم الحي في المحور الطولي. بالنسبة للتسجيلات في المختبر، قمنا بالتحقيق في الخصوصية الاتجاهية للدونة المتشابكة لـ CA1 الطولية من خلال استهداف الطرف الحاجز والزمني لالحصين. كما قمنا بالتحقيق في خصوصية طبقة اللدونة المتشابكة CA1 الطولية عن طريق التسجيل من الطبقة oriens وطبقة الراديوتوم من الحصين. لفي تسجيلات الجسم الحي، قمنا بالتحقيق في الزوايا التي تتوافق على أفضل وجه مع الاتجاه الطولي للالحصين.
باستخدام كل من في الجسم الحي وفي المختبر التسجيلات الميدانية خارج الخلية، لاحظنا أن الخلايا العصبية الهرمية CA1 المتصلة طوليا المقدمة مع LTP، وليس المحدودة. التوجه العرضية التي تنطوي على كل من CA3 وCA1 الخلايا العصبية، ومع ذلك، يدعم كل من LTP وLTD. التمييز في القدرات متشابك بين عرضية والتوجه الطولي من الحصين يمكن أن يدل على المضاربة الاختلافات في الاتصال الوظيفي. وهناك حاجة إلى مزيد من التجارب لفك رموز الاختلافات في قدراتها متشابك.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح البروتوكول طريقة الحث على اللدونة متشابك على المدى الطويل في الجسم الحي وكذلك من شرائح الدماغ في محور CA1-CA1 الطولية من الحصين في المختبر. الخطوات المبينة تعطي تفاصيل كافية للمُجرِّب للتحقيق في LTP وLTD في اتصال فرس النهر الطولي CA1-CA1. وثمة حاجة إلى ممارسة المهارات اللازمة لتسجيل الإمكانات…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعمت هذا العمل منحة بحثية من جامعة إنتشون الوطنية (التعاونية الدولية). ونود أن نشكر السيدة غونا تشوي على مساعدتها في جمع بعض البيانات.
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).
