החקירות האלקטאליות של הפונקציה Retinogeniculate ו Corticogeniculate סינפסה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקולים להכנת פרוסות מוח חריפה המכילים את הגרעין הגנוקה לרוחב ואת החקירה אלקטרופיסיולוגית של הפונקציה retinogeniculate ותפקוד הסינפסות. פרוטוקול זה מספק דרך יעילה לחקר הסינפסות עם שחרור גבוה והסתברות נמוכה של שחרור באותן פרוסות מוח חדות.
Abstract
גרעין הג הצדדי הוא תחנת הממסר הראשונה למידע החזותי. ממסר נוירונים של הגרעין התלמי הזה לשלב קלט מתאי גנגליון רשתית ולהקרין אותו קליפת הראייה. בנוסף, ממסר הנוירונים לקבל עירור מלמעלה למטה מן הקליפה. שני תשומות ההתרגשות העיקריים לנוירונים בממסר שונים במספר היבטים. כל תא עצב ממסר מקבל קלט מתוך מספר סינפסות retinogeniculate בלבד, שהם מסופים גדולים עם אתרי שחרור רבים. זה משתקף על ידי עירור חזק זהובה, הנוירונים ממסר לקבל, מתאי גנגליון הרשתית. הסינפסות Corticogeniculate, לעומת זאת, הן פשוטות יותר עם כמה אתרי שחרור וחוזק סינפטית חלש יותר. שתי הסינפסות שונות גם בפלסטיות הסינפטית לטווח קצר. לסינפסות retinogeniculate יש הסתברות גבוהה לשחרר וכתוצאה מכך להציג דיכאון לטווח קצר. לעומת זאת, corticogeniculate הסינפסות יש הסתברות שחרור נמוך. סיבים Corticogeniculate לחצות את גרעיני התלתלמי לפני הכניסה לגרעין הגנוקה לרוחב. המיקומים השונים של הגרעין הטרתלמי הציקולאני (הרוסטרולי מתוך גרעין הג הצדדי) ומערכת האופטית (ונקטרו-מהצד מגרעין הג הצדדי) מאפשרים מגרה corticogeniculate או retinogeniculate בנפרד עם אלקטרודות של גירוי מסחטות. זה הופך את הגרעין לרוחב מצוי באזור המוח האידיאלי שבו שני סינפסות מרגש עם תכונות שונות מאוד גישו על אותו סוג תא, ניתן ללמוד בו זמנית. כאן, אנו מתארים שיטה לחקור את ההקלטה מהעברת נוירונים ולבצע ניתוח מפורט של הפונקציה retinogeniculate ואת corticogeniculate סינפציה בפרוסות מוח חריפה. המאמר מכיל פרוטוקול צעד אחר צעד עבור הדור של פרוסות מוח חריפה של הגרעין הגניקה לרוחב ושלבים עבור ההקלטה פעילות מהעברת הנוירונים על ידי גירוי מערכת האופטית וסיבים corticogeniculate בנפרד.
Introduction
ממסר נוירונים של גרעין הג לרוחב לשלב ולהעביר מידע חזותי לקליפת הראייה. נוירונים אלה מקבלים קלט מרגש של התאים גנגליון באמצעות הסינפסות retinogeniculate, אשר מספקים את הכונן העיקרי ה, הכולל את הדחף המרכזי לנוירונים. בנוסף, ממסר הנוירונים מקבלים כניסות מהנוירוטית מנוירונים באמצעות corticogeniculate הסינפסות. יתר על כן, ממסר הנוירונים לקבל תשומות מעכבות של האינטרנוירונים מקומיים ו GABAergic נוירונים של הגרעין של רטיקולאריס thalami1. הגרעין ברטיקולריס thalami נמצא כמו מגן בין תלמוס לקליפת המוח, כך שסיבים מקרינים מקליפת התלמוס ובכיוון ההפוך, חייבים לעבור דרך הגרעין רטיקולאריס thalami2.
כניסות retinogeniculate ו corticogeniculate תשומות להציג תכונות סינפטית נפרדות3,4,5,6,7,8. כניסות retinogeniculate טופס מסופים גדולים עם מספר אתרי שחרור9,10. לעומת זאת, כניסות corticogeniculate מציגות מסופים קטנים עם אתרי שחרור בודדים7. בנוסף, הסינפסות retinogeniculate ביעילות כונן פוטנציאל הפעולה של הנוירונים ממסר למרות מהווה רק 5-10% של כל הסינפסות על ממסר נוירונים3,8,11. Corticogeniculate הסינפסות, לעומת זאת, משמש מאפטור של שידורי retinogeniculate על ידי שליטה על פוטנציאל הממברנה של ממסר נוירונים12,13.
אלה שני תשומות ההתרגשות העיקריים להעברת הנוירונים הם גם שונה מבחינה פונקציונלית. אחד ההבדל הבולט הוא דיכאון לטווח קצר של הסינפסות retinogeniculate ואת ההנחיה לטווח קצר של הסינפסות corticogeniculate3,5,8. הפלסטיות הקצרת-טווח מתייחס לתופעה שבה משתנה חוזק הסינפטית כאשר הסינפסה פעילה שוב ושוב תוך פרק זמן של מספר אלפיות-שניה ועד מספר שניות. ההסתברות לשחרור סינפטית היא גורם חשוב המשמש לפלסטיות לטווח קצר. סינפסות, עם הסתברות שחרור נמוך הראשונית, להציג הקלה לטווח קצר עקב הצטברות של Ca2 + ב preסינפסה ולכן עלייה בהסתברות השחרור נצפתה על פעילות חוזרת. לעומת זאת, הסינפסות עם הסתברות שחרור גבוה להציג בדרך כלל דיכאון לטווח קצר עקב דלדול של שלפוחיות מוכנות ושלפוחית14. בנוסף, הפחתת רגישות של קולטנים פוסט-סינפטית תורמת הפלסטיות לטווח הקצר בכמה סינפסות הסתברות גבוהה מהדורה8,15. הסתברות גבוהה לשחרור והפחתת הרגישות של α-אמינו-3-הידרוxy-5-מתיל-4-isoxazolepropionic חומצה (אמפא) קולטנים תורמים לדיכאון הבולט לטווח קצר של הסינפסות retinogeniculate. לעומת זאת, ההסתברות לשחרור נמוך מהווה את ההנחיה לטווח הקצר של הסינפסות הcorticogeniculate.
בעכברים, המערכת האופטית נכנסת לגרעין של הג הצדדי (dLGN) מהאתר של קודולצלעות, בעוד שסיבים corticogeniculate נכנסים לתוך ה-dLGN rostroventrally. המרחק בין שני הקלטים מאפשר לחקור את המאפיינים הפרטניים של שני כניסות מרגש שונות מאוד אל אותו תא. כאן, אנו בונים על ולשפר את שיטת הניתוח שתוארה בעבר, שבו סיבים retinogeniculate והוא נשמר בפרוסות מוח חריפה3. אנו, לאחר מכן, לתאר את החקירה אלקטרופיסיולוגית של העברת נוירונים וגירוי של retinogeniculate וסיבים corticogeniculate עם אלקטרודות לתוך הגירוי. לבסוף, אנו מספקים פרוטוקול למילוי של נוירונים ממסר עם ביוציטוטין וניתוח אנטומי הבאים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנו מתארים פרוטוקול משופר המבוסס על שיטה שפורסמה בעבר3, אשר מאפשר את החקירה של ההסתברות הגבוהה של הסינפסות retinogeniculate הסתברות נמוכה של שחרור corticogeniculate הסינפסות מאותה פרוסה. זה חשוב מאוד מאז שני כניסות אלה אינטראקציה אחד עם השני כדי לווסת את שידור האות החזותי: כניסות retinogeniculate הם …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת על ידי קרן המחקר הגרמני (DFG) בתוך מרכז מחקר שיתופי (SFB) 1134 “הרכבים פונקציונליים” (J.v.E. ו X.C.) ואת המענק מחקר EN948/1-2 (J.v.E.).
Materials
| Amplifier | HEKA Elektronik | EPC 10 USB Double patch clamp amplifier | |
| Biocytin | Sigma-Aldrich | B4261-250MG | |
| CaCl2 | EMSURE | 1.02382.1000 | |
| choline chloride | Sigma-Aldrich | C1879-1KG | |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Leica Microsystems | TCS SP5 | |
| CsCl | EMSURE | 1.02038.0100 | |
| Cs-gluconate | Self-prepared | Since there was no commercial Cs-gluconate, we prepared it by ourselves | |
| D-600 | Sigma-Aldrich | M5644-50MG | methoxyverapamil hydrochloride |
| D-APV | Biotrend | BN0085-100 | NMDA-receptor antagonist |
| Digital camera for microscope | Olympus | XM10 | |
| EGTA | SERVA | 11290.02 | |
| Forene | Abbvie | 2594.00.00 | isoflurane |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 49159-1KG | |
| HEPES | ROTH | 9105.2 | |
| High Current Stimulus Isolator | World Precision Instruments | A385 | |
| KCl | EMSURE | 1.04936.1000 | |
| MgCl2 | EMSURE | 1.05833.0250 | |
| Micromanipulators | Luigs & Neumann | SM7 | |
| Miroscope | Olympus | BX51 | |
| mounting medium | ThermoFisher Scientific | P36930 | Prolong Gold Invitrogen |
| NaCl | ROTH | 3957.1 | |
| NaH2PO4 | EMSURE | 1.06346.1000 | |
| NaHCO3 | EMSURE | 1.06329.1000 | |
| Pipette | Hilgenberg | 1807502 | |
| Puller | Sutter | P-1000 | |
| razor blade | Personna | 60-0138 | |
| Semiautomatic Vibratome | Leica Biosystems | VT1200S | |
| SR 95531 hydrobromide | Biotrend | AOB5680-10 | GABAA-receptor antagonist |
References
- Guido, W. Development, form, and function of the mouse visual thalamus. Journal of Neurophysiology. 120, 211-225 (2018).
- Guillery, R. W., Feig, S. L., Lozsadi, D. A. Paying attention to the thalamic reticular nucleus. Trends in Neurosciences. 21, 28-32 (1998).
- Turner, J. P., Salt, T. E. Characterization of sensory and corticothalamic excitatory inputs to rat thalamocortical neurones in vitro. The Journal of Physiology. 510 (3), 829-843 (1998).
- Lindstrom, S., Wrobel, A. Frequency dependent corticofugal excitation of principal cells in the cat’s dorsal lateral geniculate nucleus. Experimental Brain Research. 79, 313-318 (1990).
- Granseth, B., Ahlstrand, E., Lindstrom, S. Paired pulse facilitation of corticogeniculate EPSCs in the dorsal lateral geniculate nucleus of the rat investigated in vitro. The Journal of Physiology. 544, 477-486 (2002).
- Hamos, J. E., Van Horn, S. C., Raczkowski, D., Uhlrich, D. J., Sherman, S. M. Synaptic connectivity of a local circuit neurone in lateral geniculate nucleus of the cat. Nature. 317, 618-621 (1985).
- Kielland, A., et al. Activity patterns govern synapse-specific AMPA receptor trafficking between deliverable and synaptic pools. Neuron. 62, 84-101 (2009).
- Chen, C., Regehr, W. G. Developmental remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 28, 955-966 (2000).
- Budisantoso, T., Matsui, K., Kamasawa, N., Fukazawa, Y., Shigemoto, R. Mechanisms underlying signal filtering at a multisynapse contact. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 32, 2357-2376 (2012).
- Morgan, J. L., Berger, D. R., Wetzel, A. W., Lichtman, J. W. The Fuzzy Logic of Network Connectivity in Mouse Visual Thalamus. Cell. 165, 192-206 (2016).
- Usrey, W. M., Reppas, J. B., Reid, R. C. Paired-spike interactions and synaptic efficacy of retinal inputs to the thalamus. Nature. 395, 384-387 (1998).
- Steriade, M., Jones, E. G., McCormick, D. A. . Thalamus. , (1997).
- Wang, W., Jones, H. E., Andolina, I. M., Salt, T. E., Sillito, A. M. Functional alignment of feedback effects from visual cortex to thalamus. Nature Neuroscience. 9, 1330-1336 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Review of Physiology. 64, 355-405 (2002).
- Chen, C., Blitz, D. M., Regehr, W. G. Contributions of receptor desensitization and saturation to plasticity at the retinogeniculate synapse. Neuron. 33, 779-788 (2002).
- Chen, X., Aslam, M., Gollisch, T., Allen, K., von Engelhardt, J. CKAMP44 modulates integration of visual inputs in the lateral geniculate nucleus. Nature Communications. 9, 261 (2018).
- Krahe, T. E., El-Danaf, R. N., Dilger, E. K., Henderson, S. C., Guido, W. Morphologically distinct classes of relay cells exhibit regional preferences in the dorsal lateral geniculate nucleus of the mouse. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 31, 17437-17448 (2011).
- von Engelhardt, J., et al. CKAMP44: a brain-specific protein attenuating short-term synaptic plasticity in the dentate gyrus. Science. 327, 1518-1522 (2010).
- Khodosevich, K., et al. Coexpressed auxiliary subunits exhibit distinct modulatory profiles on AMPA receptor function. Neuron. 83, 601-615 (2014).
- Farrow, P., et al. Auxiliary subunits of the CKAMP family differentially modulate AMPA receptor properties. eLife. 4, e09693 (2015).
- Rafols, J. A., Valverde, F. The structure of the dorsal lateral geniculate nucleus in the mouse. A Golgi and electron microscopic study. The Journal of Comparative Neurology. 150, 303-332 (1973).
- Hauser, J. L., Liu, X., Litvina, E. Y., Chen, C. Prolonged synaptic currents increase relay neuron firing at the developing retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 112, 1714-1728 (2014).
- Hooks, B. M., Chen, C. Distinct roles for spontaneous and visual activity in remodeling of the retinogeniculate synapse. Neuron. 52, 281-291 (2006).
- Liu, X., Chen, C. Different roles for AMPA and NMDA receptors in transmission at the immature retinogeniculate synapse. Journal of Neurophysiology. 99, 629-643 (2008).
- Govindaiah, G., Cox, C. L. Metabotropic glutamate receptors differentially regulate GABAergic inhibition in thalamus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 26, 13443-13453 (2006).
- Fogerson, P. M., Huguenard, J. R. Tapping the Brakes: Cellular and Synaptic Mechanisms that Regulate Thalamic Oscillations. Neuron. 92, 687-704 (2016).
- Jacobsen, R. B., Ulrich, D., Huguenard, J. R. GABA(B) and NMDA receptors contribute to spindle-like oscillations in rat thalamus in vitro. Journal of Neurophysiology. 86, 1365-1375 (2001).
- Kulik, A., et al. Distinct localization of GABA(B) receptors relative to synaptic sites in the rat cerebellum and ventrobasal thalamus. The European Journal of Neuroscience. 15, 291-307 (2002).
- Gutierrez, C., Cox, C. L., Rinzel, J., Sherman, S. M. Dynamics of low-threshold spike activation in relay neurons of the cat lateral geniculate nucleus. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 21, 1022-1032 (2001).
- Armstrong, C. M., Gilly, W. F. Access resistance and space clamp problems associated with whole-cell patch clamping. Methods in Enzymology. 207, 100-122 (1992).
- White, J. A., Sekar, N. S., Kay, A. R. Errors in persistent inward currents generated by space-clamp errors: a modeling study. Journal of Neurophysiology. 73, 2369-2377 (1995).
- Clay, J. R., Shlesinger, M. F. Analysis of the effects of cesium ions on potassium channel currents in biological membranes. Journal of Theoretical Biology. 107, 189-201 (1984).
