Presynaptic Self-Depression at Developing Neocortical Synapses

1. Presynaptic Self-Depression at Developing Neocortical Synapses Antonio Rodrıguez-Moreno, Ana Gonzalez-Rueda, AbhishekBanerjee, A. Louise Upton, Michael T. Craig, and Ole Paulsen Neuron 77, January 9, 2013

2. 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 (pattern-dependent LTD, p-LTD).

3. STDP, правило Хебба, живой организм ‘‘When an axon of cell A is near enough to excite a cell Band repeatedly or persistently takes part in firing it, some growthprocess or metabolic change takes place in one or both cellssuch 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?

4. Экспериментальные объекты Мыши с57/bl6на 3й неделе постнатального(P11-P22)развития, в критический период формирования связеймежду нейронами слоёв 4 и 2/3 в бочонковойкоре. У более взрослых мышей (P25-30)p-LTD нет.

5. 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.

6. Результаты in vivo-эксперимента (C) Top: raster plot of 100recording 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 ofspike number (mean ± SEM) recorded within 200 ms after whisker deflection in 20 units. Bottom: histogram of interspike intervals (ISIs) in the same units.

7. Результаты in vivo-эксперимента Как сортировали спайки? 3 критерия: 1) по визуальной схожести форм ПД, 2) по результатам кластерного анализа К-средних 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.

8. Replayпресинаптической 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)!

9. Какие условия нужны для развития LTD в пресинапсе, если постсинапс молчит? (1) Эффективен дляпоявления p-LTD паттерн, в котором3 пресинаптических спайка, затем ещё 1 пресинаптический спайк (B). Не вызвали LTD: 3 спайка (A), 2 спайка+спайк (C).

10. 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)

11. А нужен ли постсинапс?Механизм p-LTD на клеточном уровне (1) BAPTA в постсинаптической пипетке => p-LTD есть => постсинаптическийCa2+не играет роли в инициации p-LTD (в отличие от t-LTD)

12. А нужен ли постсинапс?Механизм p-LTD на клеточном уровне (2) 50 мкмольAP5 (антагонист NMDAR) => p-LTD нет => для p-LTD, как и для t-LTD, нужна активность NMDAR.

13. А нужен ли постсинапс?Механизм p-LTD на клеточном уровне (3) AM251 (3 mM) и LY341495 (100 mM) – антагонисты CB1 и mGluRсоответственно – присутствуют => p-LTD есть => эндоканнабиноидные и метаботропныеGlu-рецепторы не нужны для p-LTD (в отличие от t-LTD).

14. А нужен ли постсинапс?Механизм p-LTD на клеточном уровне (4) Флуороацетат (FАс,10 mM) => нет Gluот астроцитов => p-LTD есть=> для p-LTD (C, D) астроцитарныйглутаматне нужен(в отличие от t-LTD, A, B).

15. Откуда глутамат? Гипотеза: Gluвысвобождается в интервале между 3 и 1 спайками. Проверка: локальное высвобождение 100 мкмольGlu (MNI-uncaging) после 3х спайков за 50 мс до 1 отдельного спайка (30 повторов) => NMDA-зависимая LTD (блокируется AP5). Гипотеза верна! 3 спайка, Glu, спайк (S) контроль

16. NMDAR – на чьей они мембране? Внутриклеточноблокатор канала NMDAR MK801 в пресинапс => нет p-LTD! => NMDAR для p-LTD, как и для t-LTD, пресинаптический.

17. Мы делили NMDAR… Предположение: посколькумеханизмы p-LTD и t-LTDконвергируют на пресинаптическихNMDAR, развитие одной исключает появление другой. Проверка: применение протокола для одной формы LTDне усиливает депрессию, если ужеразвился другой тип LTD, и наоборот.

18. NMDAR пресинаптические, а как их связать с p-LTD? Ca2+! Блокировали фосфатазу кальцинейрин (ранее он был известен только как агент постсинаптической LTD): 10 мкмольFK506 в пресинапс или же внеклеточно => p-LTD нет =>вp-LTD задействован кальцинейрин.

19. Обобщающая схема отличий p-LTD и t-LTD

20. Предположения авторов (discussion) • 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. • P-LTD и t-LTD – 2 принципиальных способа «бороться» с Хеббовскойпотенциацией: p-LTD возникает, если пресинапсне может возбудить постсинапс, а t-LTD – если первый не успевает возбудить второй. STDP и SPDP – не антагонисты! • И p-LTD, и t-LTD найдены только в развивающейся НС => это механизмы для элиминирования ненужных синапсов (pruning).