Undersöka långsiktig synaptisk plasticitet i Interlamellar Hippocampus CA1 genom elektrofysiologiska fält inspelning
Summary
Vi använde inspelning och stimulering elektroder i längsgående Hippocampus hjärnan skivor och longitudinellt placerad inspelning och elektroder stimulering i dorsala Hippocampus in vivo för att framkalla extracellulära postsynaptiska potentialer och demonstrera långsiktig synaptisk plasticitet längs den längsgående interlamellar CA1.
Abstract
Studiet av synaptisk plasticitet i hippocampus har fokuserat på användningen av CA3-CA1 lamellär nätet. Mindre uppmärksamhet har getts till den längsgående interlamellar CA1-CA1 nätverk. Nyligen emellertid, en förenings anslutning mellan CA1-CA1 pyramidala nervceller har visats. Därför, det finns ett behov av att undersöka om den längsgående interlamellar CA1-CA1 nätverk av hippocampus stöder synaptisk plasticitet.
Vi utformade ett protokoll för att undersöka närvaron eller frånvaron av långsiktig synaptisk plasticitet i interlamellar Hippocampus CA1 nätverk med elektrofysiologiska fältinspelningar både in vivo och in vitro. För in vivo extracellulära fältinspelningar, inspelningen och stimulering elektroder placerades i en septal-temporal axel av dorsala Hippocampus vid en longitudinell vinkel, att framkalla fält excitatoriska postsynaptiska potentialer. För in vitro-extracellulära fältinspelningar, Hippocampus längsgående skivor klipptes parallellt med septal-temporal planet. Inspelnings-och stimuleringelektroder placerades i stratum Oriens (S. O) och stratum radiatum (S. R) i hippocampus längs den längsgående axeln. Detta gjorde det möjligt för oss att undersöka riktnings-och lagerspecificitet framkallat excitatoriska postsynaptiska potentialer. Redan etablerade protokoll användes för att inducera långsiktig potentiering (LTP) och långvarig depression (LTD) både in vivo och in vitro. Våra resultat visade att den längsgående interlamellar CA1 nätverk stöder N-metyl-D-asparat (NMDA) receptor-beroende långsiktig potentiering (LTP) utan riktnings-eller lagerspecificitet. Den interlamellar nätverk, men i motsats till den tvärgående lamellär nätet, inte närvarande med någon betydande långsiktig depression (Ltd).
Introduction
Hippocampus har ofta används i kognitiva studier1,2,3. Det Hippocampus lamellära nätverket i den tvärgående axeln bildar Tri-Synaptic kretsar som består av dentate gyrus, CA3, och CA1 regioner. Det lamellära nätverket anses vara en parallell och självständig enhet4,5. Denna lamellära synvinkel har påverkat användningen av tvärgående orientering och tvärgående skivor för både in vivo och in vitro elektrofysiologiska studier av hippocampus. Mot bakgrund av framväxande forskning, lamellär hypotesen håller på att utvärderas6 och uppmärksamhet ges också till interlamellar nätverk av hippocampus. När det gäller Hippocampus interlamellar nätet har CA3 regionen länge undersökts7,8,9,10, men den longitudinella CA1 Hippocampus regionen har fått relativt lite uppmärksamhet tills nyligen. När det gäller den CA1 interlamellar nätverk, kortsiktiga synaptiska egenskaper längs dorsoventral longitudinella Hippocampus CA1 axel av råttor har visat sig variera11. Också, kluster av hippocampus celler som svarar på fasen och platsen befanns vara ordnade systematiskt längs den längsgående axeln av hippocampus hos råttor, genomgår en kortsiktig minne uppgift12. Också, epileptiska beslag aktiviteter befanns vara synkroniserade längs hela Hippocampus längs den längsgående axeln13.
De flesta studier av den longitudinella CA1 Hippocampus regionen har dock utnyttjat input från CA3 till CA1 regionerna11,14,15. Med hjälp av ett unikt protokoll för att göra longitudinella hjärn skivor, vårt tidigare arbete visat förenings anslutning av CA1 pyramidala nervceller längs den längsgående axeln och inblandade dess förmåga att bearbeta neuronala signalering effektivt16. Emellertid, det finns ett behov av att avgöra om den CA1 pyramidala nervceller längs den längsgående axeln utan tvärgående input kan stödja långsiktig synaptisk plasticitet. Detta konstaterande kan lägga till ytterligare en vinkel i utredningar av neurologiska frågor som rör Hippocampus.
Förmågan hos nervceller att anpassa effekten av informationsöverföring kallas synaptisk plasticitet. Synaptisk plasticitet är inblandad som den underliggande mekanismen för kognitiva processer såsom inlärning och minne17,18,19,20. Långsiktig synaptisk plasticitet visas som antingen långsiktig potentiering (LTP), som representerar förstärkning av neuronala svar, eller långvarig depression (LTD), som representerar försvagningen av neuronala svar. Långsiktig synaptisk plasticitet har studerats i tvärgående axel i hippocampus. Emellertid, detta är den första studien att demonstrera långsiktig synaptisk plasticitet i hippocampus longitudinella axeln av CA1 pyramidala nervceller.
Byggnad från ett protokoll som används av Yang et al.16, vi utformat protokollet för att demonstrera ltp och Ltd i hippocampus longitudinella axeln av CA1 pyramidala nervceller. Vi använde C57BL6 manliga möss med åldrar som varierade mellan 5-9 veckor gamla för in vitro-experiment och 6-12 veckor gamla för in vivo experiment. Denna detaljerade artikel visar hur longitudinella Hippocampus hjärn skivor från möss erhölls för in vitro-inspelningar och hur in vivo-inspelningar spelades in i den längsgående axeln. För in vitro-inspelningar, vi undersökte riktnings specificitet longitudinell CA1 synaptisk plasticitet genom att rikta septal och temporala änden av hippocampus. Vi undersökte också lagerspecificitet av den longitudinella CA1 synaptiska plasticitet genom inspelning från stratum Oriens och stratum radiatum i hippocampus. För in vivo-inspelningar undersökte vi de vinklar som bäst motsvarar den longitudinella riktningen i hippocampus.
Använda både in vivo och in vitro-extracellulära fältinspelningar, observerade vi att den longitudinellt anslutna CA1 pyramidala nervceller presenteras med LTP, inte LTD. Den tvärgående orientering som involverar både CA3 och CA1 nervceller, dock stöder både LTP och LTD. Skillnaden i Synaptic kapacitet mellan tvärgående och longitudinella orientering av hippocampus kunde spekulativt betyda skillnader i deras funktionella konnektivitet. Ytterligare experiment behövs för att dechiffrera skillnaderna i deras synaptiska förmåga.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet visar metoden för att inducera långsiktig synaptisk plasticitet in vivo samt från hjärn skivor i den longitudinella CA1-CA1 axeln i hippocampus in vitro. De steg som beskrivs ger tillräckligt med Detaljer för en försöksledare att undersöka ltp och Ltd i en längsgående Hippocampus CA1-CA1 anslutning. Övning behövs för att finslipa de färdigheter som krävs för att framgångsrikt registrera fält excitatoriska potentialer.
Förutom att behöva öva, det finns flera kr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Incheon National University (International Cooperative) forskningsbidrag. Vi kommer att vilja tacka MS gona Choi för att hjälpa till med vissa datainsamling.
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).
