Presynaptic Self-Depression at Developing Neocortical Synapses

Presynaptic Self-Depression at
Developing Neocortical Synapses
Antonio Rodrıguez-Moreno, Ana
Gonzalez-Rueda, Abhishek Banerjee, A.
Louise Upton, Michael T. Craig,
and Ole Paulsen
Neuron 77, January 9, 2013
Pattern-dependent (p-LTD)
3 пресинаптических спайка подряд временной интервал (50 мс) - 1
пресинаптический спайк (повторить
100 раз) - LTD в синапсе «нейрон
слоя 4 - нейрон слоя 2/3». Это
паттерн-зависимая
долговременная депрессия (patterndependent LTD, p-LTD).
STDP, правило Хебба, живой организм
‘‘When an axon of cell A is near enough to
excite a cell B and repeatedly or persistently
takes part in firing it, some growth process or
metabolic change takes place in one or both
cells such that A’s efficiency, as one of the cells
firing B, is increased’’(Hebb, 1949).
1) LTP полностью подчиняется этому правилу,
а каковы механизмы LTD?
2) Исследователь может задать любые
параметры (тайминг) следования стимулов, а
как in vivo?
Экспериментальные объекты
Мыши с57/bl6 на 3й
неделе
постнатального
(P11-P22) развития,
в критический
период
формирования
связей между
нейронами слоёв 4
и 2/3 в бочонковой
коре.
У более взрослых
мышей (P25-30) pLTD нет.
In vivo
В опыте пять 18-дневных мышей. Анестезия –
изофлуоран. Силиконовый мультиэлектрод с
16 ячейками, вертикально в ряд на расстоянии
50 мкм друг от друга погружали так, чтобы
самый верхний из 16 был на поверхности
коры. Стимуляция 1го-4го вибрисс.
Результаты in vivo-эксперимента
(C) Top: raster plot of 100 recording trials of layer 4 unit in
response to whisker deflection (time 0). Each black dot
represents a spike. Bottom: spike-time histogram. (D) Top:
histogram of spike number (mean ± SEM) recorded within 200
ms after whisker deflection in 20 units. Bottom: histogram of
interspike intervals (ISIs) in the same units.
Результаты in vivo-эксперимента
Как сортировали спайки? 3 критерия: 1) по визуальной
схожести форм ПД, 2) по результатам кластерного анализа Ксредних амплитуд, ширин и площадей записей ПД, 3) по
гистограмме автокорреляции [математический способ
нахождения повторяющихся последовательностей].
14% ± 8% проб – 3 спайка за первые 50 мс после стимуляции
вибрисс
39% ± 16% проб – один или несколько ПД после первичного
вплеска активности, но не позднее, чем через 200 мс после
стимуляции вибрисс.
Затем стимулировали нейроны слоя 4 в срезах S1 мышей того
же возраста, используя записанные in vivo паттерны.
Replay пресинаптической активности in vivo
• LTP, если в постсинапсе (2/3) возникали спайки в ответ на
стимуляцию (E)
• LTD, если постсинапс (2/3) специально инъецировали
деполяризующим током, и нейрон спонтанно спайковал (F)
• !LTD наибольшая по силе, если в постсинапс (2/3) специально
инъецировали гиперполяризующий ток, и спайков нейрон не
выдавал (G)!
Какие условия нужны для развития LTD в
пресинапсе, если постсинапс молчит? (1)
Эффективен для
появления p-LTD
паттерн, в котором
3 пресинаптических
спайка, затем ещё 1
пресинаптический
спайк (B).
Не вызвали LTD: 3
спайка (A), 2
спайка+спайк (C).
Какие условия нужны для развития LTD в пресинапсе, если
постсинапс молчит? (2, 3)
Частота подачи спайков в залпе (3) - 50, 100 и 200
Герц (E);
"Отдельный" спайк должен прийти через 50, 100
или 200 мс после серии из трёх ПД (F)
LTD не было, если интервал между 3 и 1 ПД был
20 мс или 500 мс (F)
А нужен ли постсинапс? Механизм p-LTD
на клеточном уровне (1)
BAPTA в постсинаптической пипетке => pLTD есть => постсинаптический Ca2+ не
играет роли в инициации p-LTD (в отличие
от t-LTD)
А нужен ли постсинапс? Механизм p-LTD
на клеточном уровне (2)
50 мкмоль AP5 (антагонист NMDAR) => p-LTD нет
=> для p-LTD, как и для t-LTD, нужна активность
NMDAR.
А нужен ли постсинапс? Механизм p-LTD
на клеточном уровне (3)
AM251 (3 mM) и LY341495 (100 mM) – антагонисты
CB1 и mGluR соответственно – присутствуют => pLTD есть => эндоканнабиноидные и метаботропные
Glu-рецепторы не нужны для p-LTD (в отличие от tLTD).
А нужен ли постсинапс? Механизм p-LTD
на клеточном уровне (4)
Флуороацетат
(FАс,10 mM) =>
нет Glu от
астроцитов => pLTD есть => для
p-LTD (C, D)
астроцитарный
глутамат не
нужен (в
отличие от t-LTD,
A, B).
Откуда глутамат?
Гипотеза: Glu высвобождается в интервале между 3 и
1 спайками.
Проверка: локальное высвобождение 100 мкмоль Glu
(MNI-uncaging) после 3х спайков за 50 мс до 1
отдельного спайка (30 повторов) => NMDA-зависимая
LTD (блокируется AP5). Гипотеза верна!
контроль
3 спайка, Glu, спайк
(S)
NMDAR – на чьей они мембране?
Внутриклеточно блокатор канала NMDAR
MK801 в пресинапс => нет p-LTD! => NMDAR
для p-LTD, как и для t-LTD, пресинаптический.
Мы делили NMDAR…
Предположение: поскольку
механизмы p-LTD и t-LTD
конвергируют на
пресинаптических NMDAR,
развитие одной исключает
появление другой.
Проверка: применение
протокола для одной
формы LTD не усиливает
депрессию, если уже
развился другой тип LTD, и
наоборот.
NMDAR пресинаптические, а как их
связать с p-LTD? Ca2+!
Блокировали фосфатазу кальцинейрин (ранее он был
известен только как агент постсинаптической LTD): 10
мкмоль FK506 в пресинапс или же внеклеточно => p-LTD
нет => в p-LTD задействован кальцинейрин.
Обобщающая схема отличий p-LTD и
t-LTD
Предположения авторов (discussion)
1. И для p-LTD, и для t-LTD необходима
пресинаптическая активность => оба варианта LTD
используют NMDAR как coincidence detector, но для
t-LTD более критично постсинаптическое
обнаружение совпадений.
2. P-LTD и t-LTD – 2 принципиальных способа
«бороться» с Хеббовской потенциацией: p-LTD
возникает, если пресинапс не может возбудить
постсинапс, а t-LTD – если первый не успевает
возбудить второй. STDP и SPDP – не антагонисты!
3. И p-LTD, и t-LTD найдены только в развивающейся
НС => это механизмы для элиминирования
ненужных синапсов (pruning).