Beoordeling van langdurige depressie inductie in volwassen cerebellaire schijfjes
Summary
In sommige genen gemanipuleerd dieren, met behulp van een enkel protocol kan falen om te induceren LTD in cerebellaire Purkinje cellen, en er kan een discrepantie tussen LTD en motorische leren. Er zijn meerdere protocollen nodig om LTD-inductie in gengemanipuleerde dieren te beoordelen. Standaardprotocollen worden weergegeven.
Abstract
Synaptische plasticiteit biedt een mechanisme voor leren en geheugen. Voor cerebellaire motor learning, lange termijn depressie (LTD) van synaptische overbrengingen van parallelle vezels (PF) naar Purkinje cellen (PC) wordt beschouwd als de basis voor het leren van de motor, en tekortkomingen van zowel LTD en motorische leren worden waargenomen in verschillende gengemanipuleerde dieren. Gemeenschappelijke motorische leer sets, zoals aanpassing van de optokinetische reflex (OKR), de vestibulaire-oculaire reflex (VOR) en de rotarod-test werden gebruikt voor de evaluatie van het motorische leervermogen. Echter, resultaten verkregen uit de GluA2-Carboxy Terminus gemodificeerde knock-in muizen toonde de normale aanpassing van de VOR en de OKR, ondanks het ontbreken van PF-LTD. In dat rapport werd de inductie van LTD slechts geprobeerd met één type stimulatie protocol bij kamertemperatuur. Zo werden de voorwaarden voor het opwekken van cerebellaire Ltd onderzocht in dezelfde knock-in mutanten met behulp van verschillende protocollen bij de meest fysiologische temperatuur. Tot slot vonden we stimulatie protocollen, waarmee LTD kon worden geïnduceerd in deze met genen gemanipuleerde muizen. In deze studie wordt een reeks protocollen voorgesteld om LTD-inductie te evalueren, waardoor het oorzakelijk verband tussen LTD en motor learning nauwkeuriger kan worden onderzocht. Concluderend, experimentele omstandigheden zijn cruciaal bij het evalueren van LTD in gengemanipuleerde muizen.
Introduction
De synaptische organisatie van de bewerkte neuronale netwerken van de cerebellaire cortex, samengesteld uit pc’s, moleculaire laag interneuronen (mand en ecoagriturismo late cellen), Golgi cellen, PFs uit submodules cellen, Mossy vezels en klim vezels (CFs), zijn opgehelderd in termen van excitatie/remming en divergentie/convergentie, en het goed georganiseerde circuit diagram heeft gesuggereerd dat het cerebellum is een “neuronale machine”1, hoewel er eerder geen idee over het doel van deze “machine” was. Later stelde Marr voor dat de PFs-invoer naar Pc’s een drielaags associatief leer netwerk2vormt. Hij suggereerde ook dat elke CF een cerebrale instructie voor Elemental Movement2overbrengt. Hij veronderstelde dat gelijktijdige activering van PFs en CF zou verbeteren PF-PC Synapse activiteit, en veroorzaken op lange termijn potentiëring (LTP) van de PF-PC Synapse. Aan de andere kant ging Albus ervan uit dat de synchrone activering van PFs en CF resulteerde in Ltd op de PF-PC synapsen3. Zowel de bovenstaande studies interpreteren het cerebellum als een uniek geheugenapparaat, de opname van die in het cerebellaire corticale netwerk leidt tot de vorming van het Marr-Albus model Learning machine model.
Na deze theoretische voorspellingen suggereren twee bewijs lijnen de aanwezigheid van synaptische plasticiteit in het cerebellum. De eerste bewijs lijn werd gesuggereerd door de anatomische organisatie van de flocculus; hier MF trajecten van vestibulaire orgel oorsprong en CF trajecten van retinale oorsprong convergeren op de Pc’s4. Dit unieke convergentie patroon suggereert dat een synaptische plasticiteit die zich in de flocculus voordoet, het opmerkelijke aanpassingsvermogen van de vestibulo-oculaire reflex veroorzaakt. Ten tweede ondersteunde de opname van de PCs-respons in de flocculus en de lesioning van de flocculus ook de bovenstaande hypothese5,6,7. Bovendien ondersteunde het PC-ontladings patroon tijdens de aanpassing van de handbeweging van een aap8 de synaptische plasticiteits hypothese, vooral albus’s Ltd-hypothese3.
Om de aard van de Synaptische plasticiteit direct te bepalen, herhaalde conjunctie stimulatie (cjs) van een bundel PFs en de CF die specifiek de PC in vivo innert werd aangetoond dat het induceren van Ltd voor de transmissie werkzaamheid van de PF – PC synapsen9, 10,11. In de daaropvolgende in vitro verkenningen met behulp van een cerebellaire slice12 en gekweekte pc’s, combinatie van co-gekweekte submodule celstimulatie en olijfcel stimulatie13 of samenwerking van iontophoretisch toegepast glutamaat en somatische depolarisatie14,15 veroorzaakt Ltd. Het signaaltransductie mechanisme aan de basis van de Ltd-inductie werd ook intensief onderzocht met behulp van in vitro preparaten16,17.
Aanpassingen van de VOR en de OKR werden vaak gebruikt voor kwantitatieve evaluatie van genmanipulatie-effecten op cerebellaire motor leren, omdat de vestibule-cerebellaire cortex werd bewezen als de essentiële oorzaak van het adaptieve leren van de VOR18 ,19,20 en de okr19,21 de correlatie tussen falen van Ltd-inductie en bijzondere waardevermindering van gedrags motor leren is opgevat als bewijs dat Ltd een essentiële rol speelt in de motor Leer mechanismen22. Deze standpunten worden gezamenlijk aangeduid als de Ltd-hypothese van motor learning, of Marr-Albus-ito-hypothese23,24,25,26.
Adaptief leren van de oogbeweging werd gemeten met behulp van vergelijkbare protocollen, terwijl verschillende experimentele omstandigheden werden gebruikt voor het induceren van Ltd in segment voorbereiding27,28,29,30,31 . Onlangs meldde Schonewille et al.26 dat sommige met genen gemanipuleerde muizen een normaal motorische leerproces vertoonden, maar de cerebellaire schijfjes toonden Ltd niet, en CONCLUDEERDEN dat Ltd niet essentieel was voor het motor leren. Echter, de inductie van LTD werd alleen geprobeerd met behulp van één type protocol bij kamertemperatuur. Daarom gebruikten we verschillende soorten LTD-inducerende protocollen onder opnamecondities rond 30 °C, en we bevestigden dat de LTD betrouwbaar werd geïnduceerd in de met genen gemanipuleerde muizen door deze protocollen te gebruiken in de buurt van fysiologische temperaturen32.
Er blijven echter enkele vragen over de basiseigenschappen van een conjunctieve stimulatie. De eerste is de relatie tussen de vorm van de complexe Spike en de amplitude van LTD. Ten tweede, in combinatie met PF-stimulatie en somatische depolarisatie, of het aantal gebruikte stimuli noodzakelijk was of niet, was ongrijpbaar. In de huidige studie werden deze vragen onderzocht met behulp van wild type (WT) muizen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillen tussen de vier protocollen
In LTD-inducerende protocollen 1 en 2, Cjs 300 keer bij 1 Hz is voldoende voor het opwekken van cerebellaire Ltd. stimulatie frequentie van de CF leek te zijn in een fysiologische bereik, omdat de complexe Spike vuursnelheid in alert volwassen muizen (P60) werd gemeld te zijn 1,25 Hz36. Echter, de CF stimulatie alleen veroorzaakte op lange termijn plasticiteit in het PF-CF Synapse, zoals gebruikt in de protocollen 1 en 2 (<strong cla…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken A. Oba voor haar technische assistentie. Dit onderzoek werd gedeeltelijk gesteund door subsidie-in-steun voor wetenschappelijk onderzoek (C) 17K01982 tot 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 |
Referências
- 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).
