חקירת הפלסטיות הסינפטית לטווח ארוך בהיפוקמפוס הCA1 על ידי אלקטרופיזיולוגיה הקלטת שדה
Summary
השתמשנו והקליט אלקטרודות של היפוקמאל פרוסות המוח האורך ו longitudinally הקלטה ואלקטרודות גירוי ההיפוקמפוס הראש ב vivo לעורר את הפוטנציאל המיטיות בפוטנציאלים והפגינו הפלסטיות הסינפטית ארוכת הטווח לאורך CA1 האורך האורכי.
Abstract
המחקר של הפלסטיות הסינפטית בהיפוקמפוס התמקד בשימוש ברשת CA3-CA1 לאמצ’יני. פחות תשומת לב נגבתה על-ידי רשת CA1-CA1 האורכי. עם זאת, לאחרונה הוצג קשר בין הקשרים בין CA1-CA1 הנוירונים. לכן, יש צורך לחקור אם האורך interlamellar-CA1 רשת של ההיפוקמפוס תומך הפלסטיות הסינפטית.
עיצבנו פרוטוקול כדי לחקור את הנוכחות או העדר של הפלסטיות הסינפטית ארוכת טווח ברשת ההיפוקלבית CA1 היפוקלצ’יני באמצעות הקלטות השדה אלקטרופיזיולוגי הן בvivo והן בתחום החוץ. עבור in vivo הקלטות השדה, ההקלטה והגירוי הונחו בציר הזמני septal של ההיפוקמפוס החצי בזווית האורך, כדי לעורר את הפוטנציאל העירור של התחום הפוסט-סינפטית. לקבלת הקלטות שדות בתחום החוץ, פרוסות האורך של ההיפוקמאל מקבילות למישור הזמני של הseptal. אלקטרודות הקלטה וגירוי הונחו בתוך הרובד (S. O) ואת הרובד רדיואטום (S. R) של ההיפוקמפוס לאורך ציר האורך. זה איפשר לנו לחקור את הכיוון ואת ספציפיות השכבה של הפוטנציאל הפוסינפטיות מעורר. פרוטוקולים מבוססים כבר שימשו כדי לגרום הפוטנציאל לטווח ארוך (LTP) ודיכאון לטווח ארוך (בע מ) הן בvivo והן בתוך מבחנה. התוצאות שלנו הראו כי רשת האורך interlamellar משולבת תומך N-מתיל-D-aspartate (NMDA) קולטן לטווח ארוך הפוטנציאל (LTP) ללא ספציפיות כיווניות או שכבה. אולם, בניגוד לרשת הלצ’יני הרוחבי, לא הופיע עם דיכאון ארוך טווח משמעותי (בע מ).
Introduction
ההיפוקמפוס כבר בשימוש נרחב במחקרים קוגניטיביים1,2,3. רשת ההיפוקמפוס בציר הרוחבי יוצרת את המעגלים התלת-סינפטיים העשויים מCA3 ומCA1. רשת הלצ’יני נחשבת ליחידה מקבילה ועצמאית4,5. נקודת המבט הלצ’יני הזו השפיעה על השימוש בכיוון רוחבי ובפרוסות רוחבי הן בvivo והן במחקרים אלקטרולוגיים של ההיפוקמפוס. לאור המחקר המתעוררים, ההשערה הלצ’יני הוא להיות הוערך מחדש6 ותשומת לב גם ניתנת לרשת האינטרלצ’יני של ההיפוקמפוס. בנוגע לרשת ההיפוקמפוס האינטרלצ’יני, אזור CA3 כבר מזמן נחקר7,8,9,10, אולם הCA1 האורך היפוקמאל באזור קיבל מעט תשומת לב יחסית עד לאחרונה. ביחס לרשת האינטרלצ’יני CA1, המאפיינים הסינפטיים לטווח קצר לאורך ההיפוקמאל האורך דורסובנאל CA1 ציר של חולדות הוכחו להשתנות11. כמו כן, אשכולות של תאים היפוקמאל להגיב לשלב ואת המקום נמצאו להיות מסודרים בשיטתיות לאורך ציר האורך של ההיפוקמפוס בחולדות, שעברו לטווח קצר משימה זיכרון12. גם, התקף אפילפסיה הפעילות נמצאו מסונכרנים לאורך ההיפוקמפוס כולו לאורך ציר האורך13.
רוב המחקרים של אזור CA1 היפוקאמאל עם זאת, יש מנוצל קלט מCA3 לאזורים CA111,14,15. באמצעות פרוטוקול ייחודי לעשות פרוסות המוח האורכי, העבודה הקודמת שלנו הוכיחה את הקישוריות האסוצינלית של CA1 הנוירונים ביניים לאורך ציר האורך ומעורב היכולת לעבד איתות עצבי ביעילות16. עם זאת, יש צורך לקבוע אם CA1 הנוירונים באמצע הדרך לאורך ציר האורך ללא קלט רוחבי יכול לתמוך פלסטיות לטווח ארוך הסינפטית. ממצא זה יכול להוסיף זווית נוספת לחקירות של סוגיות נוירולוגיות הנוגעות ההיפוקמפוס.
היכולת של נוירונים להתאים את היעילות של העברת מידע ידועה בשם הפלסטיות הסינפטית. הפלסטיות הסינפטית מעורב כמנגנון הבסיסי לתהליכים קוגניטיביים כגון למידה וזיכרון17,18,19,20. הפלסטיות הסינפטית לטווח ארוך מוצג כפוטנציאל לטווח ארוך (LTP), המייצג את התחזקות התגובה העצבית, או דיכאון לטווח הארוך (בע מ), המייצג את היחלשות התגובה העצבית. הפלסטיות הסינפטית לטווח ארוך נחקר בציר הרוחבי של ההיפוקמפוס. עם זאת, זהו המחקר הראשון להפגין הפלסטיות הסינפטית ארוכת טווח בציר האורך היפוקמאל של CA1 הנוירונים.
בניין מפרוטוקול המשמש את יאנג ואח ‘16, עיצבנו את הפרוטוקול כדי להדגים ltp ו-LTD בציר האורך של היפוקמאנאל CA1 הנוירונים. השתמשנו C57BL6 עכברים זכרים עם הגילאים בין 5-9 הישן שבועות עבור ניסויים מבחנה ו 6-12 שבועות הישן עבור ניסויים vivo. מאמר מפורט זה מראה כמה פרוסות המוח האורך היפוקמאל מן העכברים הושגו עבור הקלטות חוץ גופית ואיך בהקלטות vivo נרשמו בציר האורך. עבור הקלטות חוץ גופית, חקרנו ספציפיות כיווניות של הCA1 האורכי הפלסטיות הסינפטית על ידי התמקדות מחיצה ואת הקצה הזמני של ההיפוקמפוס. בדקנו גם את השכבה ספציפיות של הפלסטיות הסינפטית CA1 האורך על ידי הקלטה של הרובד האורידים ושכבה רדיואטום של ההיפוקמפוס. עבור בהקלטות vivo, חקרנו את הזוויות המתאימות ביותר לכיוון האורך של ההיפוקמפוס.
שימוש הן ב-vivo ו הקלטות מחוץ לתחום מתורבת, הבחנו כי הlongitudinally מחוברים CA1 הנוירונים בעלי מידות הציג עם LTP, לא בע מ. האוריינטציה לרוחב מעורבים הן CA3 ו CA1 נוירונים, עם זאת, תומך הן LTP וגם בע מ. ההבחנה ביכולות סינפטיות בין רוחבי לבין הכיוון האורכי של ההיפוקמפוס יכול למבט מסמלים את ההבדלים בקישוריות הפונקציונלית שלהם. ניסויים נוספים נחוצים כדי לפענח את ההבדלים ביכולות הסינפטית שלהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול ממחיש את השיטה כדי לגרום לפלסטיות ארוכת טווח הסינפטית בvivo, כמו גם מתוך פרוסות מוח בציר CA1-CA1 האורך של ההיפוקמפוס בתוך מבחנה. השלבים מתוארים לתת מספיק פרטים עבור ניסויים כדי לחקור LTP ו-LTD בחיבור היפוקמאל CA1-CA1 האורך. התרגול צריך לחדד את הכישורים הדרושים כדי להקליט בהצלחה הפוטנציאל מר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי האוניברסיטה הלאומית של האינצ (קואופרטיב בינלאומי) מענק מחקר. אנו רוצים להודות לגברת גונה צ’וי על סיוע באיסוף מידע מסוים.
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).
