Investigación de la plasticidad sináptica a largo plazo en Interlamellar Hippocampus CA1 por grabación de campo electrofisiológica
Summary
Utilizamos electrodos de grabación y estimulación en rodajas longitudinales del cerebro del hipocampo y electrodos de registro y estimulación posicionados longitudinalmente en el hipocampo dorsal in vivo para evocar potenciales postsinápticos extracelulares y demostrar plasticidad sináptica a largo plazo a lo largo del interlamellar longitudinal CA1.
Abstract
El estudio de la plasticidad sináptica en el hipocampo se ha centrado en el uso de la red lamelar CA3-CA1. Se ha prestado menos atención a la red interlamellar longitudinal CA1-CA1. Recientemente, sin embargo, se ha demostrado una conexión asociativo entre las neuronas piramidales CA1-CA1. Por lo tanto, existe la necesidad de investigar si la red interlamellar longitudinal CA1-CA1 del hipocampo soporta plasticidad sináptica.
Diseñamos un protocolo para investigar la presencia o ausencia de plasticidad sináptica a largo plazo en la red interlamellar hippocampal CA1 utilizando grabaciones electrofisiológicas de campo tanto in vivo como in vitro. Para las grabaciones de campo extracelulares in vivo, los electrodos de grabación y estimulación se colocaron en un eje septal-temporal del hipocampo dorsal en un ángulo longitudinal, para evocar potenciales postsinápticos excitatorios de campo. Para las grabaciones de campo extracelulares in vitro, las rodajas longitudinales hipocampales se cortaron paralelas al plano septal-temporal. Los electrodos de grabación y estimulación se colocaron en el estrato oriens (S.O) y el estrato radiatum (S.R) del hipocampo a lo largo del eje longitudinal. Esto nos permitió investigar la especificidad direccional y de capa de potenciales postsinápticos excitatorios evocados. Se utilizaron protocolos ya establecidos para inducir la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) in vivo e in vitro. Nuestros resultados demostraron que la red interlamellar longitudinal CA1 admite la potenciación a largo plazo dependiente del receptor N-metil-D-aspartato (NMDA) (LTP) sin especificidad direccional o de capa. La red interlamelare, sin embargo, a diferencia de la red lamelar transversal, no presentó ninguna depresión significativa a largo plazo (LTD).
Introduction
El hipocampo ha sido ampliamente utilizado en estudios cognitivos1,2,3. La red lamelar del hipocampo en el eje transversal forma el circuito trisináptico que se compone de las regiones de giro dentado, CA3 y CA1. La red lamelar se considera una unidadparalela e independiente 4,5. Este punto de vista lamelare ha influido en el uso de la orientación transversal y las rodajas transversales para estudios electrofisiológicos in vivo e in vitro del hipocampo. A la luz de la investigación emergente, la hipótesis lamelar se está reevaluando6 y también se está prestando atención a la red interlamellar del hipocampo. Con respecto a la red interlamellar hipocampal, la región CA3 ha sido investigada durante mucho tiempo7,8,9,10, sin embargo la región longitudinal del hipocampo CA1 ha recibido relativamente poca atención hasta hace poco. Con respecto a la red interlamellar CA1, se ha demostrado que las propiedades sinápticas a corto plazo a lo largo del eje dorsoventral longitudinal del hipocampo CA1 de ratas varían11. Además, se encontraron racimos de células del hipocampo que respondían a la fase y el lugar que se organizaba sistemáticamente a lo largo del eje longitudinal del hipocampo en ratas, sometiendo a una tarea de memoria a corto plazo12. Además, se encontró que las actividades de convulsiones epilépticas se sincronizaban a lo largo de todo el hipocampo a lo largo del eje longitudinal13.
La mayoría de los estudios de la región longitudinal del hipocampo CA1, sin embargo, han utilizado la entrada del CA3 a lasregionesCA1,14,15. Utilizando un protocolo único para hacer rebanadas longitudinales del cerebro, nuestro trabajo anterior demostró la conectividad asociacional de las neuronas piramidales CA1 a lo largo del eje longitudinal e implicó su capacidad para procesar la señalización neuronal de manera efectiva16. Sin embargo, hay una necesidad de determinar si las neuronas piramidales CA1 a lo largo del eje longitudinal sin entrada transversal pueden apoyar la plasticidad sináptica a largo plazo. Este hallazgo puede añadir otro ángulo en las investigaciones de problemas neurológicos relacionados con el hipocampo.
La capacidad de las neuronas para adaptar la eficacia de la transferencia de información se conoce como plasticidad sináptica. La plasticidad sináptica está implicada como mecanismo subyacente para procesos cognitivos como el aprendizaje y la memoria17,18,19,20. La plasticidad sináptica a largo plazo se demuestra como potenciación a largo plazo (LTP), que representa el fortalecimiento de la respuesta neuronal, o depresión a largo plazo (LTD), que representa el debilitamiento de la respuesta neuronal. La plasticidad sináptica a largo plazo se ha estudiado en el eje transversal del hipocampo. Sin embargo, este es el primer estudio para demostrar plasticidad sináptica a largo plazo en el eje longitudinal del hipocampo de las neuronas piramidales CA1.
Construyendo a partir de un protocolo utilizado por Yang et al.16, diseñamos el protocolo para demostrar LTP y LTD en el eje longitudinal hipocampal de las neuronas piramidales CA1. Utilizamos ratones macho C57BL6 con edades que oscilan entre 5-9 semanas de edad para experimentos in vitro y 6-12 semanas de edad para experimentos in vivo. Este artículo detallado muestra cómo se obtuvieron rebanadas longitudinales del cerebro del hipocampo de ratones para grabaciones in vitro y cómo se registraron las grabaciones in vivo en el eje longitudinal. Para las grabaciones in vitro, investigamos la especificidad direccional de la plasticidad sináptica longitudinal CA1 apuntando al extremo septal y temporal del hipocampo. También investigamos la especificidad de la capa de la plasticidad sináptica longitudinal CA1 mediante el registro del estrato oriens y el estrato radiatum del hipocampo. Para las grabaciones in vivo, investigamos los ángulos que mejor corresponden a la dirección longitudinal del hipocampo.
Utilizando grabaciones de campo extracelulares in vivo e in vitro, observamos que las neuronas piramidales CA1 conectadas longitudinalmente se presentaron con LTP, no LTD. La orientación transversal que implica las neuronas CA3 y CA1, sin embargo, soporta LTP y LTD. La distinción en las capacidades sinápticas entre el transversal y la orientación longitudinal del hipocampo podría significar especulativamente diferencias en su conectividad funcional. Se necesitan más experimentos para descifrar las diferencias en sus capacidades sinápticas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo demuestra el método para inducir la plasticidad sináptica a largo plazo in vivo, así como a partir de rodajas cerebrales en el eje longitudinal CA1-CA1 del hipocampo in vitro. Los pasos descritos dan suficientes detalles para que un experimentador investigue LTP y LTD en una conexión longitudinal CA1-CA1 hipocampal. Se necesita práctica para perfeccionar las habilidades necesarias para registrar con éxito los potenciales excitatorios del campo.
Además de necesitar práctica…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Beca de Investigación de la Universidad Nacional de Incheon (Cooperativa Internacional). Nos gustaría dar las gracias a la Sra. Gona Choi por ayudar con la recopilación de datos.
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 |
Referenzen
- 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).
