Investigando a plasticidade sináptica de longo prazo no hipocampo interlamelar CA1 por gravação de campo eletrofisiológico
Summary
Utilizamos eletrodos de gravação e estimulação em fatias de cérebro hipocampal longitudinal e eletrodos de gravação e estimulação longitudinalmente posicionados no hipocampo dorsal in vivo para evocar potenciais pós-sinápticos extracelulares e demonstrar plasticidade sináptica de longo prazo ao longo do CA1 interlamelar longitudinal.
Abstract
O estudo da plasticidade sináptica no hipocampo concentrou-se no uso da rede lamelar de i-CA1. Menos atenção foi dada à rede interlamelar longitudinal CA1-CA1. Recentemente entretanto, uma conexão associacional entre os neurônios piramidal CA1-CA1 foi mostrada. Portanto, há a necessidade de investigar se a rede de CA1-CA1 interlamelar longitudinal do hipocampo suporta a plasticidade sináptica.
Nós projetamos um protocolo para investigar a presença ou a ausência de plasticidade sináptica a longo prazo na rede de CA1 hippocampal interlamelar usando gravações eletrofisiológicas do campo ambos in vivo e in vitro. Para as gravações de campo extracelular in vivo, os eletrodos de gravação e estimulação foram colocados em um eixo septal-temporal do hipocampo dorsal em um ângulo longitudinal, para evocar potenciais pós-sinápticos excitatórios. Para as gravações in vitro do campo extracelular, as fatias longitudinais hippocampal foram cortadas paralelas ao plano septal-temporal. Os eletrodos de gravação e estimulação foram colocados no estrato Oriens (S. O) e no estrato radiatum (S. R) do hipocampo ao longo do eixo longitudinal. Isto permitiu-nos investigar a especificidade direcional e da camada de potenciais pós-sináptica excitatórios evocados. Protocolos já estabelecidos foram utilizados para induzir potenciação a longo prazo (LTP) e depressão a longo prazo (LTD) tanto in vivo como in vitro. Nossos resultados demonstraram que a rede de CA1 interlamelar longitudinal suporta a potenciação de longo prazo dependente do receptor de N-metil-D-aspartato (NMDA) (LTP) sem especificidade direcional ou de camada. A rede interlamelar, entretanto, em contraste com a rede lamelar transversal, não apresentou com nenhuma depressão a longo prazo significativa (LTD).
Introduction
O hipocampo tem sido amplamente utilizado em estudos cognitivos1,2,3. A rede lamelar do hipocampal na linha central transversal dá forma ao circuito Tri-Synaptic que é compo do giro dentate, do, do i, e das regiões CA1. A rede lamelar é considerada uma unidade paralela e independente4,5. Este ponto de vista lamelar influenciou o uso de orientação transversal e de fatias transversais para Estudos eletrofisiológicos in vivo e in vitro do hipocampo. À luz da pesquisa emergente, a hipótese lamelar está sendo reavaliada6 e a atenção também está sendo dada à rede interlamelar do hipocampo. No que diz respeito à rede interlamelar hipocampal, a região do “o” foi investigada há muitotempo7,8,9,10, porém a região do hipocampal longitudinal CA1 recebeu relativamente pouca atenção até recentemente. Com relação à rede interlamelar CA1, as propriedades sinápticas de curto prazo ao longo do eixo de CA1 hipocampal longitudinal dorsoventral de ratos foram mostradas para variar11. Além disso, aglomerados de células hipocampais respondendo à fase e ao local foram encontrados para serem organizados sistematicamente ao longo do eixo longitudinal do hipocampo em ratos, passando por uma tarefa de memória de curto prazo12. Também, as atividades epilépticas da apreensão foram encontradas para ser sincronizadas ao longo do hipocampo inteiro ao longo do eixo longitudinal13.
A maioria dos estudos da região do hipocampal de CA1 longitudinal no entanto, têm utilizado a entrada das regiões de “o” de CA1 para as áreas11,14,15. Usando um protocolo único para fazer cortes longitudinais do cérebro, nosso trabalho precedente demonstrou a conectividade associacional de neurônios piramidal CA1 ao longo do eixo longitudinal e implicou sua habilidade de processar eficazmente a sinalização neuronal16. Entretanto, há uma necessidade de determinar se os neurônios piramidal CA1 ao longo da linha central longitudinal sem entrada transversal podem suportar a plasticidade sináptica a longo prazo. Este achado pode adicionar outro ângulo em investigações de problemas neurológicos pertencentes ao hipocampo.
A capacidade dos neurônios para adaptar a eficácia da transferência de informação é conhecida como plasticidade sináptica. A plasticidade sináptica é implicada como o mecanismo subjacente para processos cognitivos como aprendizado e memória17,18,19,20. A plasticidade sináptica a longo prazo é demonstrada como a potenciação a longo prazo (LTP), que representa o fortalecimento da resposta neuronal, ou a depressão a longo prazo (Ltd), que representa o enfraquecimento da resposta neuronal. A plasticidade sináptica de longo prazo tem sido estudada no eixo transversal do hipocampo. Entretanto, este é o primeiro estudo para demonstrar a plasticidade sináptica a longo prazo no eixo longitudinal hippocampal de CA1 neurônios piramidal.
Construindo a partir de um protocolo usado por Yang et al.16, projetamos o protocolo para demonstrar LTP e Ltd no eixo longitudinal hipocampal dos neurônios piramidais CA1. Foram utilizados camundongos machos C57BL6 com idades variando entre 5-9 semanas de idade para experimentos in vitro e 6-12 semanas de idade para experimentos in vivo. Este artigo detalhado mostra como as fatias longitudinais do cérebro do hippocampal dos ratos foram obtidas para gravações in vitro e como gravações in vivo foram gravadas no eixo longitudinal. Para as gravações in vitro, investigamos a especificidade direcional da plasticidade sináptica de CA1 longitudinal, visando a extremidade septal e temporal do hipocampo. Nós igualmente investigamos a especificidade da camada da plasticidade sináptica CA1 longitudinal gravando dos Oriens do estrato e do radiatum do estrato do hipocampo. Para gravações in vivo, investigamos os ângulos que melhor correspondem à direção longitudinal do hipocampo.
Usando ambas as gravações in vivo e in vitro do campo extracelular, nós observamos que os neurônios piramidal longitudinalmente conectados de CA1 apresentados com LTP, não Ltd. A orientação transversal envolvendo ambos os neurônios de i. e CA1, no entanto, suporta ambos LTP e LTD. A distinção nas capacidades sinápticas entre a orientação transversal e longitudinal do hipocampo poderia significar especulativamente diferenças em sua conectividade funcional. Mais experimentos são necessários para decifrar as diferenças em suas capacidades sinápticas.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo demonstra o método para induzir a plasticidade sináptica a longo prazo in vivo, bem como de fatias cerebrais no eixo CA1-CA1 longitudinal do hipocampo in vitro. As etapas esboçadas dão bastante detalhes para que um experimentador investigue LTP e LTD em uma conexão de CA1-CA1 hippocampal longitudinal. A prática é necessária para aprimorar as habilidades necessárias para registrar com sucesso os potenciais excitatórios de campo.
Além da necessidade de prática, existem v?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Universidade Nacional de Incheon (cooperativa internacional) Research Grant. Gostaríamos de agradecer a Sra. gona Choi por ajudar com alguma coleta de dados.
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 |
Referências
- 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).
