Studiare la plasticità sinaptica a lungo termine nell'Ippocampo Interlamellar CA1 di Electrophysiological Field Recording
Summary
Abbiamo usato elettrodi di registrazione e stimolazione in fette di cervello ippocampali longitudinali e elettrodi di registrazione e stimolazione longitudinalmente posizionati nell’ippocampo dorsale in vivo per evocare potenziali post-ynaptici extracellulari e dimostrare plasticità sinaptica a lungo termine lungo l’interlamellar longitudinale CA1.
Abstract
Lo studio della plasticità sinaptica nell’ippocampo si è concentrato sull’uso della rete lamelllare CA3-CA1. Meno attenzione è stata data alla rete longitudinale interlamellar CA1-CA1. Recentemente, tuttavia, è stata mostrata una connessione associativa tra i neuroni piramidali CA1-CA1. Pertanto, è necessario verificare se la rete longitudinale interlamellar CA1-CA1 dell’ippocampo supporta la plasticità sinaptica.
Abbiamo progettato un protocollo per studiare la presenza o l’assenza di plasticità sinaptica a lungo termine nella rete interlamelare hippocampal CA1 utilizzando registrazioni elettrofisiologiche sul campo sia in vivo che in vitro. Per le registrazioni extracellulari sul campo in vivo, gli elettrodi di registrazione e stimolazione sono stati collocati in un asse settale-temporale dell’ippocampo dorsale con un angolo longitudinale, per evocare potenziali post-sinaptici eccitatori di campo. Per le registrazioni in vitro extracellulari sul campo, le fette longitudinali ippocampali sono state tagliate parallelamente al piano settale-temporale. Gli elettrodi di registrazione e stimolazione sono stati collocati nello strato oriens (S.O) e nel radiato strato (S.R) dell’ippocampo lungo l’asse longitudinale. Questo ci ha permesso di indagare la specificità direzionale e di strato dei potenziali post-naptici eccitatori evocati. I protocolli già stabiliti sono stati utilizzati per indurre il potenziamento a lungo termine (LTP) e la depressione a lungo termine (LTD) sia in vivo che in vitro. I nostri risultati hanno dimostrato che la rete longitudinale interlamellar CA1 supporta N-methyl-D-aspartate (NMDA) che dipende dal recettore (LTP) senza specificità direzionale o di strato. La rete interlamellar, tuttavia, in contrasto con la rete lamellare trasversale, non presentava alcuna depressione significativa a lungo termine (LTD).
Introduction
L’ippocampo è stato ampiamente utilizzato negli studi cognitivi1,2,3. La rete lamellare ippocampale nell’asse trasversale forma il circuito tri-sinaptico costituito dalle regioni giro dente, CA3 e CA1. La rete zoppa è considerata un’unitàparallela e indipendente 4,5. Questo punto di vista zoppo ha influenzato l’uso dell’orientamento trasversale e delle fette trasversali sia per gli studi elettrofisiologici in vivo che in vitro dell’ippocampo. Alla luce della ricerca emergente, l’ipotesi del lamellare è stata rivalutata6 e si sta atendo attenzione anche alla rete interlamellare dell’ippocampo. Per quanto riguarda la rete interlamellar ippocampale, la regione CA3 è stata a lungo studiata7,8,9,10, tuttavia la regione longitudinale CA1 ippocampale ha ricevuto relativamente poca attenzione fino a poco tempo fa. Per quanto riguarda la rete interlamellar CA1, le proprietà sinaptiche a breve termine lungo l’asse longitudinale longitudinale CA1 dell’ippocampo dorsoventrale dell’asse dei ratti hanno dimostrato di variaredi 11. Inoltre, gruppi di cellule ippocampali che rispondono alla fase e il luogo sono stati trovati per essere organizzato sistematicamente lungo l’asse longitudinale dell’ippocampo nei ratti, subendo un compito di memoria a breve termine12. Inoltre, le attività di crisi epilettiche sono state trovate per essere sincronizzate lungo l’intero ippocampo lungo l’asse longitudinale13.
La maggior parte degli studi della regione longitudinale CA1 ippocampale tuttavia, hanno utilizzato l’input dal CA3 alle regioni CA111,14,15. Utilizzando un protocollo unico per fare fette di cervello longitudinali, il nostro lavoro precedente ha dimostrato la connettività associativa dei neuroni piramidali CA1 lungo l’asse longitudinale e ha implicato la sua capacità di elaborare la segnalazione neuronale in modo efficace16. Tuttavia, è necessario determinare se i neuroni piramidali CA1 lungo l’asse longitudinale senza input trasversale possono supportare la plasticità sinaptica a lungo termine. Questa scoperta può aggiungere un altro angolo nelle indagini sui problemi neurologici relativi all’ippocampo.
La capacità dei neuroni di adattare l’efficacia del trasferimento di informazioni è conosciuta come plasticità sinaptica. Plasticità sinaptica è implicato come il meccanismo sottostante per i processi cognitivi come l’apprendimento e la memoria17,18,19,20. Plasticità sinaptica a lungo termine è dimostrato come sia potenziamento a lungo termine (LTP), che rappresenta il rafforzamento della risposta neuronale, o depressione a lungo termine (LTD), che rappresenta l’indebolimento della risposta neuronale. La plasticità sinaptica a lungo termine è stata studiata nell’asse trasversale dell’ippocampo. Tuttavia, questo è il primo studio a dimostrare la plasticità sinaptica a lungo termine nell’asse longitudinale ippocampale dei neuroni piramidali CA1.
Costruire da un protocollo utilizzato da Yang et al.16, abbiamo progettato il protocollo per dimostrare LTP e LTD nell’asse longitudinale ippocampale dei neuroni piramidali CA1. Abbiamo usato topi maschi C57BL6 con età comprese tra 5-9 settimane per esperimenti in vitro e 6-12 settimane per esperimenti in vivo. Questo articolo dettagliato mostra come sono state ottenute fette di cervello ippocampali longitudinali da topi per le registrazioni in vitro e come le registrazioni in vivo sono state registrate nell’asse longitudinale. Per le registrazioni in vitro, abbiamo studiato la specificità direzionale della plasticità sinaptica longitudinale CA1 prendendo di mira l’estremità settale e temporale dell’ippocampo. Abbiamo anche studiato la specificità dello strato della plasticità sinaptica longitudinale CA1 registrando dallo strato oriens e dal radiato strato dell’ippocampo. Per le registrazioni in vivo, abbiamo studiato gli angoli che meglio corrispondono alla direzione longitudinale dell’ippocampo.
Utilizzando sia le registrazioni extracellulari in vivo che in vitro, abbiamo osservato che i neuroni piramidali CA1 collegati longitudinalmente presentati con LTP, non LTD. L’orientamento trasversale che coinvolge neuroni CA3 e CA1, tuttavia, supporta sia LTP che LTD. La distinzione nelle capacità sinaptiche tra l’orientamento trasversale e l’orientamento longitudinale dell’ippocampo potrebbe significare speculativamente differenze nella loro connettività funzionale. Sono necessari ulteriori esperimenti per decifrare le differenze nelle loro capacità sinaptiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo dimostra il metodo per indurre plasticità sinaptica a lungo termine in vivo e da fette di cervello nell’asse longitudinale CA1-CA1 dell’ippocampo in vitro. I passaggi descritti forniscono dettagli sufficienti per uno sperimentatore per studiare LTP e LTD in una connessione longitudinale hippocampal CA1-CA1. La pratica è necessaria per affinare le competenze necessarie per registrare con successo i potenziali eccitatori sul campo.
Oltre a dover praticare, ci sono diversi passagg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da Incheon National University (International Cooperative) Research Grant. Ringraziamo la signora Gona Choi per aver assistito con alcune raccolte di dati.
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 |
References
- 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).
