Advanced

Whole-Cell Patch Clamp Investigations on Rapid Synaptic Scaling of Mouse CA1 Pyramidal Neurons under Optogenetic Stimulation

Groth, Leonard LU (2021) KBKM05 20202
Pure and Applied Biochemistry
Theoretical Chemistry
Abstract
The brain consists of billions of neurons forming intricate contiguous networks. The connective strength in these networks change throughout life in response to experience and environmental stimuli. Indeed, by using these plastic mechanisms You have successfully molded networks in your brain to perform the task of reading and understanding this text. This feat is made more remarkable when considering that learning these things did not come at the expense of network stability. However, not all experiences are the same and some, such as flashing lights, can in fact cause sickness.

Healthy brains are achieved and maintained by homeostatic plasticity, a set of physiological mechanisms that stabilize network activity. Synaptic scaling is... (More)
The brain consists of billions of neurons forming intricate contiguous networks. The connective strength in these networks change throughout life in response to experience and environmental stimuli. Indeed, by using these plastic mechanisms You have successfully molded networks in your brain to perform the task of reading and understanding this text. This feat is made more remarkable when considering that learning these things did not come at the expense of network stability. However, not all experiences are the same and some, such as flashing lights, can in fact cause sickness.

Healthy brains are achieved and maintained by homeostatic plasticity, a set of physiological mechanisms that stabilize network activity. Synaptic scaling is one such mechanism that up- or down-regulates the firing-rates of individual neurons by changing the number of postsynaptic glutamate receptors in a cell-autonomous fashion. Synaptic scaling is thought to occur over hours, yet in order for homeostatic plasticity to work it must match the speed at which destabilizing forms of plasticity accumulate. The speed at which this happens is currently unknown for any cell, and it is therefore interesting to see if synaptic scaling happens more quickly in response to pathologies of network instability such as epilepsy.

To investigate this, we measured changes in mean amplitude and interevent intervals of spontaneous excitatory postsynaptic currents in CA1 pyramidal neurons from acute hippocampal slices of CAMKIICre-ChR2 mice. This was done before, during and after optogenetic stimulation intended to model epileptic seizures using whole-cell patch clamping.

The gathered results suggest that no presynaptic modulation occurs in response to the stimulation but were inconclusive on changes to postsynaptic function. Going forward, a different experimental setup is required in order to rule out the existence of rapid synaptic scaling as a natural anticonvulsive mechanism in epilepsy. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Din hjärna är en fantastisk apparat uppgjord av hundratals miljarder hjärnceller som var och en pratar med tiotusentals grannceller i ett makalöst nätverk-av-nätverk. För att förstå detta kan det vara hjälpsamt att likna hjärncellens form till ett träd – på detta ”träd” är rötterna de så kallade dendriterna, och stammen som leder upp till kronan är den så kallade axonen. Celler bildar nätverk och pratar med varandra genom synapser, strukturer som delas mellan två celler: en presynaptisk cell vars axon möter dendriten hos en postsynaptisk cell. Hjärncellen använder dendriterna för att ”lyssna” (ta emot signalinput) och axonen för att ”prata” (skapa signaloutput) – ”trädet” har alltså örat mot marken, men den talar rakt ut i luften.

... (More)
Din hjärna är en fantastisk apparat uppgjord av hundratals miljarder hjärnceller som var och en pratar med tiotusentals grannceller i ett makalöst nätverk-av-nätverk. För att förstå detta kan det vara hjälpsamt att likna hjärncellens form till ett träd – på detta ”träd” är rötterna de så kallade dendriterna, och stammen som leder upp till kronan är den så kallade axonen. Celler bildar nätverk och pratar med varandra genom synapser, strukturer som delas mellan två celler: en presynaptisk cell vars axon möter dendriten hos en postsynaptisk cell. Hjärncellen använder dendriterna för att ”lyssna” (ta emot signalinput) och axonen för att ”prata” (skapa signaloutput) – ”trädet” har alltså örat mot marken, men den talar rakt ut i luften.

Hjärnceller använder förstås inte ord eller ljud när de pratar, utan nervimpulssekvenser och signalsubstanser. Nervimpulser orsakar presynaptisk signalsubstansutsöndring mot receptorer på postsynapsen. Aktiverade receptorer orsakar jonflöde som påverkar cellmembranets elektriska spänning. Hur stor denna påverkan är beror på (1) utsöndringsgraden och (2) receptorantalet. Således är inputsignalens styrka reglerad på analogt vis. Om inputsignalen får membranspänningen att passera ett specifikt tröskelvärde kommer en nervimpuls skickas ner för axonen och därmed signalera andra celler. Denna tröskel gör outputsignalering till ett digitalt ”allt-eller-inget” fenomen. Cellen kan därför tolkas som en analog-till-digital signalomvandlare – och på sätt och vis kan hela hjärnan därför jämföras med en dator.

Till skillnad från en dator så är hjärnans nätverk plastiska – formbara. Faktumet att du lärt dig läsa denna text är testamente till det. Att lära sig något är att forma hjärnan: när man exempelvis lär sig cykla så är de involverade cellerna ovana att aktiveras samtidigt, men med tid och repetition så blir dom bättre. Vad som egentligen händer är att nätverket som ansvarar för cykling förstärks genom att postsynapserna ökar antalet excitatoriska (aktivitetsfrämjande) receptorer, så att signalöverföringen blir mer effektiv. Inlärning är en form av så kallad Hebbiansk plasticitet, som ofta sammanfattas i frasen ”cells that fire together, wire together”. Denna plasticitet är en positiv feedback-loop som ohejdat leder till aktivitetsexplosion. För att balansera detta krävs alltså någon form av negativ feedback, vilket hjärnan gör genom så kallad homeostatisk plasticitet. Synaptisk skalning är en homeostatisk mekanism, varuti antalet excitatoriska receptorer på alla synapser skalas enligt samma faktor, i motsats till Hebbiansk plasticitet som skalar receptorer på enskilda synapser. Synaptisk skalning tros ske inom loppet av timmar och dygn. Men för homeostatisk plasticitet att fungera måste den vara lika snabb som destabiliserande plasticiteters sammanläggning. Hur snabbt detta faktiskt är har inte utretts än. Det är därför intressant att se huruvida synaptisk skalning fungerar snabbare i epilepsi, en sjukdom präglad av nätverksinstabilitet. Epileptiska anfall är tillfällen av onormalt hög och samordnad nätverksaktivitet, och är oftast bara några minuter långa. Om synaptisk skalning reagerar på epileptiska anfall skulle det antyda att skalning sker mycket snabbare än man tror.

För att undersöka detta gjordes en epileptisk anfallsmodell i mushippocampus med hjälp av optogenetik, en teknik varuti man gör celler ljuskänsliga. Snabbt blinkande ljus kan då orsaka onormalt hög och samordnad nätverksaktivitet – alltså en kontrollerbar epilepsianfallsmodell. Genom att mäta cellers elektriska profiler ville vi se om deras basaktivitet sänks i respons till optogenetiska epilepsianfall. Detta ska nämligen ske om alla synapser blir försvagade enligt synaptisk skalning. Mätningarna gjordes genom whole-cell patch-clamping, en elektro-fysiologisk teknik varuti man ”punkterar” en cell med en glaspipettbeträdd elektrod för att mäta dess elektriska profil. Våra resultat kunde dessvärre varken påvisa eller utesluta existensen av en ”snabb” form av synaptisk skalning. Med små modifikationer till det experimentella upplägget kommer framtida forskning förhoppningsvis kunna svara på denna intressanta fråga. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Groth, Leonard LU
supervisor
organization
course
KBKM05 20202
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Patch clamp, Electrophysiology, Optogenetics, Epilepsy, Voltage clamp, Current clamp, Neuroscience, Applied Biochemistry, Tillämpad biokemi
language
English
id
9038912
date added to LUP
2021-02-08 14:54:46
date last changed
2021-02-08 14:54:46
@misc{9038912,
  abstract     = {The brain consists of billions of neurons forming intricate contiguous networks. The connective strength in these networks change throughout life in response to experience and environmental stimuli. Indeed, by using these plastic mechanisms You have successfully molded networks in your brain to perform the task of reading and understanding this text. This feat is made more remarkable when considering that learning these things did not come at the expense of network stability. However, not all experiences are the same and some, such as flashing lights, can in fact cause sickness. 

Healthy brains are achieved and maintained by homeostatic plasticity, a set of physiological mechanisms that stabilize network activity. Synaptic scaling is one such mechanism that up- or down-regulates the firing-rates of individual neurons by changing the number of postsynaptic glutamate receptors in a cell-autonomous fashion. Synaptic scaling is thought to occur over hours, yet in order for homeostatic plasticity to work it must match the speed at which destabilizing forms of plasticity accumulate. The speed at which this happens is currently unknown for any cell, and it is therefore interesting to see if synaptic scaling happens more quickly in response to pathologies of network instability such as epilepsy.

To investigate this, we measured changes in mean amplitude and interevent intervals of spontaneous excitatory postsynaptic currents in CA1 pyramidal neurons from acute hippocampal slices of CAMKIICre-ChR2 mice. This was done before, during and after optogenetic stimulation intended to model epileptic seizures using whole-cell patch clamping. 

The gathered results suggest that no presynaptic modulation occurs in response to the stimulation but were inconclusive on changes to postsynaptic function. Going forward, a different experimental setup is required in order to rule out the existence of rapid synaptic scaling as a natural anticonvulsive mechanism in epilepsy.},
  author       = {Groth, Leonard},
  keyword      = {Patch clamp,Electrophysiology,Optogenetics,Epilepsy,Voltage clamp,Current clamp,Neuroscience,Applied Biochemistry,Tillämpad biokemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Whole-Cell Patch Clamp Investigations on Rapid Synaptic Scaling of Mouse CA1 Pyramidal Neurons under Optogenetic Stimulation},
  year         = {2021},
}