Expression of specific glycoconjugates in both primary and secondary olfactory pathways in BALB/C mice

Binding of cell surface carbohydrates to their receptors specifically promotes axon growth and synaptogenesis in select regions of the developing nervous system. In some cases these interactions depend upon cell-cell adhesion mediated by the same glycoconjugates present on the surface of apposing cells or their processes. We have previously shown that the plant lectin Dolichos biflorus agglutinin (DBA) binds to: a subpopulation of mouse primary olfactory neurons whose axons selectively fasciculate prior to terminating in the olfactory bulb. In the present study, we investigated whether these glycoconjugates were also expressed by postsynaptic olfactory neurons specifically within the olfactory pathway. We show here for the first time that DBA ligands were expressed both by a subset of primary olfactory neurons as well as by the postsynaptic mitral/tufted cells in BALB/C mice. These glycoconjugates were first detected on mitral/tufted cell axons during the early postnatal period, at a time when there is considerable synaptogenesis and synaptic remodelling in the primary olfactory cortex. This is one of the few examples of the selective expression of molecules in contiguous axon tracts in the mammalian nervous system. These results suggest that glycoconjugates recognized by DBA may have a specific role in the formation and maintenance of neural connections within a select functional pathway in the brain. J. Comp. Neurol. 443:213-225, 2002. (C) 2002 Wiley-Liss, Inc.

Laminar disorganisation of mitral cells in the olfactory bulb does not affect topographic targeting of primary olfactory axons

Primary olfactory neurons expressing the same odorant receptor protein typically project to topographically fixed olfactory bulb sites. While cell adhesion molecules and odorant receptors have been implicated in guidance of primary olfactory axons. the postsynaptic mitral cells may also have a role in final target selection. We have examined the effect of disorganisation of the mitral cell soma layer in mutant mice heterozygous for the beta-subunit of platelet activating factor acetylhydrolase (Lis1(-/+)) on the targeting of primary olfactory axons. Lis1(-/+) mice display abnormal lamination of neurons in the olfactory bulb. Lis1(-/+) mice were crossed with the P2-IRES-tau:LacZ line of transgenic mice that selectively expresses beta-galactosidase in primary olfactory neurons expressing the P2 odorant receptor. LacZ histochemistry revealed blue-stained P2 axons that targeted topographically fixed glomeruli in these mice in a manner similar to that observed in the parent P2-IRES-tau:LacZ line. Thus, despite the aberrant organisation of postsynaptic mitral cells in Lis1(-/+) mice, primary olfactory axons continued to converge and form glomeruli at correct sites in the olfactory bulb. Next we examined whether challenging primary olfactory axons in adult Lis(-/+) mice with regeneration would affect their ability to converge and form glomeruli. Following partial chemical ablation of the olfactory neuroepithelium with dichlobenil, primary olfactory neurons die and are replaced by newly differentiating neurons that project axons to the olfactory bulb where they converge and form glomeruli. Despite the aberrant mitral cell layer in Lis(-/+) mice. primary olfactory axons continued to converge and form glomeruli during regeneration. Together these results demonstrate that the convergence of primary olfactory axons during development and regeneration is not affected by gross perturbations to the lamination of the mitral cell layer. Thus, these results support evidence from other studies indicating that mitral cells do not play a major role in the convergence and targeting of primary olfactory axons in the olfactory bulb. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Diverse synaptic mechanisms generate direction selectivity in the rabbit retina

The synaptic conductance of the On-Off direction-selective ganglion cells was measured during visual stimulation to determine whether the direction selectivity is a property of the circuitry presynaptic to the ganglion cells or is generated by postsynaptic interaction of excitatory and inhibitory inputs. Three synaptic asymmetries were identified that contribute to the generation of direction-selective responses: (1) a presynaptic mechanism producing stronger excitation in the preferred direction, (2) a presynaptic mechanism producing stronger inhibition in the opposite direction, and (3) postsynaptic interaction of excitation with spatially offset inhibition. Although the on- and off-responses showed the same directional tuning, the off-response was generated by all three mechanisms, whereas the on- response was generated primarily by the two presynaptic mechanisms. The results indicate that, within a single neuron, different strategies are used within distinct dendritic arbors to accomplish the same neural computation.

Sorting and convergence of primary olfactory axons are independent of the olfactory bulb

Primary olfactory axons expressing the same odorant receptor gene sort out and converge to fixed sites in the olfactory bulb. We examined the guidance of axons expressing the P2 odorant receptor when they were challenged with different cellular environments in vivo. In the mutant extratoes mouse, the olfactory bulb is lacking and is replaced by a fibrocellular mass. In these animals, primary olfactory axons form glomerular-like loci despite the absence of normal postsynaptic targets. P2 axons are able to sort out from other axons in this fibrocellular mass and converge to form loci of like axons. The sites of these loci along mediolateral and ventrodorsal axes were highly variable. Similar convergence was observed for larger subpopulations of axons expressing the same cell surface carbohydrates. The sorting out and convergence of like axons also occurred during regeneration following bulbectomy. Olfactory axon behaviour in these models demonstrates that sorting and convergence of axons are independent of the target, which instead provides distinct topographic cues for guidance. (C) 2003 Wiley-Liss, Inc.

Identification of neuronal alterations induced by Shank3 mutations using iPS cells from Phelan-McDermid Patients' Fibroblasts

A família de proteínas Shank é o principal conjunto de proteinas de suporte e está localizada na densidade pós-sináptica das sinapses excitatórias. Existem 3 genes na família Shank, Shank1, Shank2 e Shank3 e são caracterizados por múltiplos domínios repetidos de anquirina próximo ao N-terminal seguido pelos domínios Src homologo 3 e PDZ, uma região longa rica em prolina e um domínio de motivo α estéril próximo ao C-terminal. Shank proteínas conectam duas subunidades de receptors glutamatérgicos, recetores NMDA e recetores metabotrópicos de glutamato do tipo-I (mGluRs). O domínio PDZ da Shank conecta-se ao C-terminal do GKAP e este, liga-se, ao complexo recetor PSD-95-NMDA. Por outro lado, a proteína Homer interage com o domínio rico em prolina para confirmar a associação entre a proteína Shank com o mGluR tipo-I. A proteína específica em estudo, Shank3, é haploinsuficiente em pacientes com sindrome Phelan-McDermid devido à deleções no braço comprido do cromossoma 22 levando à danos intelectuais, ausência ou atraso no discurso, comportamentos semelhantes ao autismo, hipotonia e características dismórficas. Neste trabalho, investigamos o papel da Shank3 na função sináptica para compreender a relação entre alterações nesta proteína e as características neurológicas presente em Pacientes com síndrome Phelan-McDermid. Foram utilizados dois modelos diferentes, ratinhos knockout Shank3 e hiPSC de pacientes com PMS. Ratinhos geneticamente modificados são ferramentas uteis no estudo de genes e na compreensão dos mecanismos que experiências in vitro não são capazes de reproduzir, mas de maneira a compreender melhor as patologias humanas, decidimos trabalhar também com células humanas. Os fibroblastos dos pacientes com síndrome Phelan-McDermid fora reprogramados em hiPS cells, diferenciados em neurónios e comparados com os neurónios obtidos a partir de doadores saudavéis e da mesma idade. A reprogramação em iPSC foi realizada por infecção de lentivirus com quatro genes de reprogramação OCT4, c-MYC, SOX2 e KFL4 para posteriormente serem diferenciados em neurónios, com cada passo sendo positivamente confirmado através de marcadores neuronais. Através dos neurónios diferenciados, analisamos a expressão de proteínas sinápticas. Pacientes com haploinsuficiencia na proteína Shank3 apresentam níveis elevados de proteína mGluR5 e decrescidos de proteína Homer sugerindo que a haploinsuficiencia leva a desregulação do complexo mGluR5-Homer-Shank3 conduzindo também, a defeitos na maturação sináptica. Assim, a expressão da proteína mGluR5 está alterada nos pacientes com PMS podendo estar relacionada com defeitos encontrados na diferenciação neuronal e maturação sináptica observados nos neurónios de pacientes. Conclusivamente, iPS cells representam um modelo fundamental no estudo da proteína Shank3 e a sua influência no sindrome de Phelan-McDermid.

Coral snake venoms: mode of action and pathophysiology of experimental envenomation

Coral snakes, the New World Elapidae, are included in the genera Micniroides and Micrurus. The genus Mlcrurus comprises nearly all coral snake species and those which are responsible for human snake-bite accidents. The following generalizations concerning the effects induced by their venoms, and their venom-properties can be made. Coral snake venoms are neurotoxic, producing loss of muscle strenght and death by respiratory paralysis. Local edema and necrosis are not induced nor blood coagulation or hemorrhages. Proteolysis activity is absent or of very low grade. They display phospholipase A2 activity. Nephrotoxic effects are not evoked. The main toxins from elapid venoms are postsynaptic and presynaptic neurotoxins and cardiotoxins. Phospholipases A2 endowed with myonecrotic or cardiotoxin-like properties are important toxic components from some elapid venoms. The mode of action of Micrurus frontalis, M. lemniscatus, M. corallinus and M. fulvius venoms has been investigated in isolated muscle preparations and is here discussed. It is shown that while M. frontalis and M. lemniscatus venoms must contain only neurotoxins that act at the cholinergic end-plate receptor (postsynaptic neurotoxins), M. corallinus venom also inhibits evoked acetylcholine release by the motor nerve endings (presynaptic neurotoxin-like effect) and M. fulvius induces muscle fiber membrane depolarization (cardiotoxin-like effect). The effects produced by M. corallinus and M. fulvius venoms in vivo in dogs and M. frontalis venom in dogs and monkeys are also reported.

The computational role of short-term plasticity and the balance of excitation and inhibition in neural microcircuits: experimental and theoretical analysis

The computations performed by the brain ultimately rely on the functional connectivity between neurons embedded in complex networks. It is well known that the neuronal connections, the synapses, are plastic, i.e. the contribution of each presynaptic neuron to the firing of a postsynaptic neuron can be independently adjusted. The modulation of effective synaptic strength can occur on time scales that range from tens or hundreds of milliseconds, to tens of minutes or hours, to days, and may involve pre- and/or post-synaptic modifications. The collection of these mechanisms is generally believed to underlie learning and memory and, hence, it is fundamental to understand their consequences in the behavior of neurons.(...)

Functional significance of adenosine in carotid body chemosensory activity in control and chronically hypoxic animals

ABSTRACT: Carotid bodies (CB) are peripheral chemoreceptor organs sensing changes in arterial blood O2, CO2 and pH levels. Hypoxia and acidosis or hypercapnia activates CB chemoreceptor cells, which respond by releasing neurotransmitters in order to increase the action potential frequency in their sensory nerve, the carotid sinus nerve (CSN). CSN activity is integrated in the brainstem to induce a fan of cardiorespiratory reflex responses, aimed at normalising the altered blood gases. Exogenously applied adenosine (Ado) increases CSN chemosensory activity inducing hyperventilation through activation of A2 receptors. The importance of the effects of adenosine in chemoreception was reinforced by data obtained in humans, in which the intravenous infusion of Ado causes hyperventilation and dyspnoea, an effect that has been attributed to the activation of CB because Ado does not cross blood-brain barrier and because the ventilatory effects are higher the closer to the CB it is injected. The present work was performed in order to establish the functional significance of adenosine in chemoreception at the carotid body in control and chronically hypoxic rats. To achieve this objective we investigated: 1) The release of adenosine from a rat carotid body in vitro preparation in response to moderate hypoxia and the specificity of this release. We also investigated the metabolic pathways of adenosine production and release in the organ in normoxia and hypoxia; 2) The modulation of adenosine/ATP release from rat carotid body chemoreceptor cells by nicotinic ACh receptors; 3) The effects of caffeine on peripheral control of breathing and the identity of the adenosine receptors involved in adenosine and caffeine effects on carotid body chemoreceptors; 4) The interactions between dopamine D2 receptors and adenosine A2B receptors that modulate the release of catecholamines (CA) from the rat carotid body; 5) The effect of chronic caffeine intake i.e. the continuous blockage of adenosine receptors thereby simulating a caffeine dependence, on the carotid body function in control and chronically hypoxic rats. The methodologies used in this work included: molecular biology techniques (e.g. immunocytochemistry and western-blot), biochemical techniques (e.g. neurotransmitter quantification by HPLC, bioluminescence and radioisotopic methods), electrophysiological techniques (e.g. action potential recordings) and ventilatory recordings using whole-body plethysmography. It was observed that: 1) CB chemoreceptor sensitivity to hypoxia could be related to its low threshold for the release of adenosine because moderate acute hypoxia (10% O2) increased adenosine concentrations released from the CB by 44% but was not a strong enough stimulus to evoke adenosine release from superior cervical ganglia and arterial tissue; 2) Acetylcholine (ACh) modulates the release of adenosine/5’-adenosine triphosphate (ATP) from CB in moderate hypoxia through the activation of nicotinic receptors with α4 and ß2 receptor subunits, suggesting that the excitatory role of ACh in chemosensory activity includes indirect activation of purinergic receptors by adenosine and ATP, which strongly supports the hypothesis that ATP/adenosine are important mediators in chemotransduction; 3) adenosine increases the release of CA from rat CB chemoreceptor cells via A2B receptors; 4) the inhibitory effects of caffeine on CB chemoreceptors are mediated by antagonism of postsynaptic A2A and presynaptic A2B adenosine receptors indicating that chemosensory activity elicited by hypoxia is controlled by adenosine; 5) The release of CA from rat CB chemoreceptor cells is modulated by adenosine through an antagonistic interaction between A2B and D2 receptors, for the first time herein described; 6) chronic caffeine treatment did not significantly alter the basal function of CB in normoxic rats assessed as the dynamics of their neurotransmitters, dopamine, ATP and adenosine, and the CSN chemosensory activity. In contrast, the responses to hypoxia in these animals were facilitated by chronic caffeine intake because it increased the ventilatory response, slightly increased CSN chemosensory activity and increased dopamine (DA) and ATP release; 7) In comparison with normoxic rats, chronically hypoxic rats exhibited an increase in several parameters: ventilatory hypoxic response; basal and hypoxic CSN activity; tyrosine hydroxylase expression, CA content, synthesis and release; basal and hypoxic adenosine release; and in contrast a normal basal release and diminished hypoxia-induced ATP release; 8) Finally, in contrast to chronically hypoxic rats, chronic caffeine treatment did not alter the basal CSN chemosensory activity. Nevertheless, the responses to mild and intense hypoxia, and hypercapnia, were diminished. This inhibitory effect of chronic caffeine in CB output is compensated by central mechanisms, as the minute ventilation parameter in basal conditions and in response to acute hypoxic challenges remained unaltered in rats exposed to chronic hypoxia. We can conclude that adenosine both in acute and chronically hypoxic conditions have an excitatory role in the CB chemosensory activity, acting directly on adenosine A2A receptors present postsynaptically in CSN, and acting presynaptically via A2B receptors controlling the release of dopamine in chemoreceptor cells. We suggest that A2B -D2 adenosine / dopamine interactions at the CB could explain the increase in CA metabolism caused by chronic ingestion of caffeine during chronic hypoxia. It was also concluded that adenosine facilitates CB sensitisation to chronic hypoxia although this effect is further compensated at the central nervous system.-------- RESUMO: Os corpos carotídeos (CB) são pequenos orgãos emparelhados localizados na bifurcação da artéria carótida comum. Estes órgãos são sensíveis a variações na PaO2, PaCO2, pH e temperatura sendo responsáveis pela hiperventilação que ocorre em resposta à hipóxia, contribuindo também para a hiperventilação que acompanha a acidose metabólica e respiratória. As células quimiorreceptoras (tipo I ou glómicas) do corpo carotídeo respondem às variações de gases arteriais libertando neurotransmissores que activam as terminações sensitivas do nervo do seio carotídeo (CSN) conduzindo a informação ao centro respiratório central. Está ainda por esclarecer qual o neurotransmissor (ou os neurotransmissores) responsável pela sinalização hipóxica no corpo carotídeo. A adenosina é um neurotransmissor excitatório no CB que aumenta a actividade eléctrica do CSN induzindo a hiperventilação através da activação de receptores A2. A importância destes efeitos da adenosina na quimiorrecepção, descritos em ratos e gatos, foi reforçada por resultados obtidos em voluntários saudáveis onde a infusão intravenosa de adenosina em induz hiperventilação e dispneia, efeito atribuído a uma activação do CB uma vez que a adenosina não atravessa a barreira hemato-encefálica e o efeito é quanto maior quanto mais perto do CB for a administração de adenosina. O presente trabalho foi realizado com o objectivo de esclarecer qual o significado funcional da adenosina na quimiorrecepção no CB em animais controlo e em animais submetidos a hipoxia crónica mantida. Para alcançar este objectivo investigou-se: 1) o efeito da hipóxia moderada sobre a libertação de adenosina numa preparação in vitro de CB e a especificidade desta mesma libertação comparativamente com outros tecidos não quimiossensitivos, assim como as vias metabólicas de produção e libertação de adenosina no CB em normoxia e hipóxia; 2) a modulação da libertação de adenosina/ATP das células quimiorreceptoras do CB por receptores nicotínicos de ACh; 3) os efeitos da cafeína no controlo periférico da ventilação e a identidade dos receptores de adenosina envolvidos nos efeitos da adenosina e da cafeína nos quimiorreceptores do CB; 4) as interacções entre os receptores D2 de dopamina e os receptores A2B de adenosina que modulam a libertação de catecolaminas (CA) no CB de rato e; 5) o efeito da ingestão crónica de cafeína, isto é, o contínuo bloqueio e dos receptores de adenosina, simulando assim o consumo crónico da cafeína, tal como ocorre na população humana mundial e principalmente no ocidente, na função do corpo carotídeo em ratos controlo e em ratos submetidos a hipoxia crónica. Os métodos utilizados neste trabalho incluíram: técnicas de biologia molecular como imunocitoquímica e western-blot; técnicas bioquímicas, tais como a quantificação de neurotransmissores por HPLC, bioluminescência e métodos radioisotópicos; técnicas electrofisiológicas como o registro de potenciais eléctricos do nervo do seio carotídeo in vitro; e registros ventilatórios in vivo em animais não anestesiados e em livre movimento (pletismografia). Observou-se que: 1) a especificidade dos quimiorreceptores do CB como sensores de O2 está correlacionada com o baixo limiar de libertação de adenosina em resposta à hipóxia dado que a libertação de adenosina do CB aumenta 44% em resposta a uma hipóxia moderada (10% O2), que no entanto não é um estímulo suficientemente intenso para evocar a libertação de adenosina do gânglio cervical superior ou do tecido arterial. Observou-se também que aproximadamente 40% da adenosina libertada pelo CB provém do catabolismo extracelular do ATP quer em normóxia quer em hipóxia moderada, sendo que PO2 reduzidas induzem a libertação de adenosina via activação do sistema de transporte equilibrativo ENT1. 2) a ACh modula a libertação de adenosina /ATP do CB em resposta à hipoxia moderada sugerindo que o papel excitatório da ACh na actividade quimiossensora inclui a activação indirecta de receptores purinérgicos pela adenosina e ATP, indicando que a adenosina e o ATP poderiam actuar como mediadores importantes no processo de quimiotransducção uma vez que: a) a activação dos receptores nicotínicos de ACh no CB em normóxia estimula a libertação de adenosina (max 36%) provindo aparentemente da degradação extracelular do ATP. b) a caracterização farmacológica dos receptores nicotínicos de ACh envolvidos na estimulação da libertação de adenosina do CB revelou que os receptores nicotínicos de ACh envolvidos são constituídos por subunidades α4ß2. 3) a adenosina modula a libertação de catecolaminas das células quimiorreceptoras do CB através de receptores de adenosina A2B dado que: a)a cafeína, um antagonista não selectivo dos receptores de adenosina, inibiu a libertação de CA quer em normóxia quer em resposta a estímulos de baixa intensidade sendo ineficaz na libertação induzida por estímulos de intensidade superior; b) o DPCPX e do MRS1754 mimetizaram os efeitos da cafeína no CB sendo o SCH58621 incapaz de induzir a libertação de CA indicando que os efeitos da cafeína seriam mediados por receptores A2B de adenosina cuja presença nas células quimiorreceptoras do CB demonstramos por imunocitoquímica. 4) a aplicação aguda de cafeína inibiu em 52% a actividade quimiossensora do CSN induzida pela hipóxia sendo este efeito mediado respectivamente por receptores de adenosina A2A pós-sinápticos e A2B pré-sinápticos indicando que a actividade quimiossensora induzida pela hipóxia é controlada pela adenosina. 5) existe uma interacção entre os receptores A2B e D2 que controla a libertação de CA do corpo carotídeo de rato uma vez que: a) os antagonistas dos receptores D2, domperidona e haloperidol, aumentaram a libertação basal e evocada de CA das células quimiorreceptoras confirmando a presença de autorreceptores D2 no CB de rato que controlam a libertação de CA através de um mecanismo de feed-back negativo. b) o sulpiride, um antagonista dos receptores D2, aumentou a libertação de CA das células quimiorreceptoras revertendo o efeito inibitório da cafeína sobre esta mesma libertação; c) a propilnorapomorfina, um agonista D2 inibiu a libertação basal e evocada de CA sendo este efeito revertido pela NECA, um agonista dos receptores A2B. O facto de a NECA potenciar o efeito do haloperidol na libertação de CA sugere que a interacção entre os receptores D2 e A2B poderia também ocorrer ao nível de segundos mensageiros, como o cAMP. 6) a ingestão crónica de cafeína em ratos controlo (normóxicos) não alterou significativamente a função basal do CB medida como a dinâmica dos seus neurotransmissores, dopamina, ATP e adenosina e como actividade quimiossensora do CSN. Contrariamente aos efeitos basais, a ingestão crónica de cafeína facilitou a resposta à hipóxia, dado que aumentou o efeito no volume minuto respiratórioapresentando-se também uma clara tendência para aumentar a actividade quimiossensora do CSN e aumentar a libertação de ATP e dopamina.7) após um período de 15 dias de hipóxia crónica era evidente o fenómeno de aclimatização dado que as respostas ventilatórias à hipóxia se encontram aumentadas, assim como a actividade quimiossensora do CSN basal e induzida pela hipóxia. As alterações observadas no metabolismo da dopamina, assim como na libertação basal de dopamina e de adenosina poderiam contribuir para a aclimatização durante a hipoxia crónica. A libertação aumentada de adenosina em resposta à hipóxia aguda em ratos hipóxicos crónicos sugere um papel da adenosina na manutenção/aumento das respostas ventilatórias à hipóxia aguda durante a hipóxia crónica. Observou-se também que a libertação de ATP induzida pela hipóxia aguda se encontra diminuída em hipóxia crónica, contudo a ingestão crónica de cafeína reverteu este efeito para valores similares aos valores controlo, sugerindo que a adenosina possa modular a libertação de ATP em hipóxia crónica. 8) a ingestão crónica de cafeína em ratos hipóxicos crónicos induziu o aumento do metabolismo de CA no CB, medido como expressão de tirosina hidroxilase, conteúdo, síntese e libertação de CA. 9) a ingestão crónica de cafeína não provocou quaisquer alterações na actividade quimiossensora do CSN em ratos hipóxicos crónicos no entanto, as respostas do CSN à hipóxia aguda intensa e moderada e à hipercapnia encontram-se diminuídas. Este efeito inibitório que provém da ingestão crónica de cafeína parece ser compensado ao nível dos quimiorreceptores centrais dado que os parâmetros ventilatórios em condições basais e em resposta à hipoxia aguda não se encontram modificados em ratos expostos durante 15 dias a uma atmosfera hipóxica. Resumindo podemos assim concluir que a adenosina quer em situações de hipoxia aguda quer em condições de hipoxia crónica tem um papel excitatório na actividade quimiossensora do CB actuando directamente nos receptores A2A presentes pós-sinapticamente no CSN, assim como facilitando a libertação de dopamina pré-sinapticamente via receptores A2B presentes nas células quimiorreceptoras. A interacção negativa entre os receptores A2B e D2 observadas nas células quimiorreceptoras do CB poderia explicar o aumento do metabolismo de CA observado após a ingestão crónica de cafeína em animais hipóxicos. Conclui-se ainda que durante a aclimatização à hipóxia a acção inibitória da cafeína, em termos de resposta ventilatória, mediada pelos quimiorreceptores periféricos é compensada pelos efeitos excitatórios desta xantina ao nível do quimiorreceptores centrais.------- RESUMEN Los cuerpos carotídeos (CB) son órganos emparejados que están localizados en la bifurcación de la arteria carótida común. Estos órganos son sensibles a variaciones en la PaO2, en la PaCO2, pH y temperatura siendo responsables de la hiperventilación que ocurre en respuesta a la hipoxia, contribuyendo también a la hiperventilación que acompaña a la acidosis metabólica y respiratoria. Las células quimiorreceptoras (tipo I o glómicas) del cuerpo carotídeo responden a las variaciones de gases arteriales liberando neurotransmissores que activan las terminaciones sensitivas del nervio del seno carotídeo (CSN) llevando la información al centro respiratorio central. Todavía esta por clarificar cual el neurotransmisor (o neurotransmisores) responsable por la señalización hipóxica en el CB. La adenosina es un neurotransmisor excitatório en el CB ya que aumenta la actividad del CSN e induce la hiperventilación a través de la activación de receptores de adenosina del subtipo A2. La importancia de estos efectos de la adenosina en la quimiorrecepción, descritos en ratas y gatos, ha sido fuertemente reforzada por resultados obtenidos en voluntarios sanos en los que la infusión intravenosa de adenosina induce hiperventilación y dispnea, efectos estés que han sido atribuidos a una activación del CB ya que la adenosina no cruza la barrera hemato-encefalica y el efecto es tanto más grande cuanto más cercana del CB es la administración. Este trabajo ha sido realizado con el objetivo de investigar cual el significado funcional de la adenosina en la quimiorrecepción en el CB en animales controlo y en animales sometidos a hipoxia crónica sostenida. Para alcanzar este objetivo se ha estudiado: 1) el efecto de la hipoxia moderada en la liberación de adenosina en una preparación in vitro de CB y la especificidad de esta liberación en comparación con otros tejidos no-quimiosensitivos, así como las vías metabólicas de producción y liberación de adenosina del órgano en normoxia y hipoxia; 2) la modulación de la liberación de adenosina/ATP de las células quimiorreceptoras del CB por receptores nicotínicos de ACh; 3) los efectos de la cafeína en el controlo periférico de la ventilación y la identidad de los receptores de adenosina involucrados en los efectos de la adenosina y cafeína en los quimiorreceptores del CB; 4) las interacciones entre los receptores D2 de dopamina y los receptores A2B de adenosina que modulan la liberación de catecolaminas (CA) en el CB de rata y; 5) el efecto de la ingestión crónica de cafeína, es decir, el bloqueo sostenido de los receptores de adenosina, simulando la dependencia de cafeína observada en la populación mundial del occidente, en la función del CB en ratas controlo y sometidas a hipoxia crónica sostenida. Los métodos utilizados en este trabajo incluirán: técnicas de biología molecular como imunocitoquímica y western-blot; técnicas bioquímicas, tales como la cuantificación de neurotransmissores por HPLC, bioluminescencia y métodos radioisotópicos; técnicas electrofisiológicas como el registro de potenciales eléctricos del nervio do seno carotídeo in vitro; y registros ventilatórios in vivo en animales no anestesiados y en libre movimiento (pletismografia). Se observó que: 1) la sensibilidad de los quimiorreceptores de CB esta correlacionada con un bajo umbral de liberación de adenosina en respuesta a la hipoxia ya que en respuesta a una hipoxia moderada (10% O2) la liberación de adenosina en el CB aumenta un 44%, sin embargo esta PaO2 no es un estimulo suficientemente fuerte para inducir la liberación de adenosina del ganglio cervical superior o del tejido arterial; se observó también que aproximadamente 40% de la adenosina liberada del CB proviene del catabolismo extracelular del ATP en normoxia y en hipoxia moderada, y que bajas PO2 inducen la liberación de adenosina vía activación del sistema de transporte equilibrativo ENT1. 2) la ACh modula la liberación de adenosina /ATP del CB en respuesta a la hipóxia moderada lo que sugiere que el papel excitatório de la ACh en la actividad quimiosensora incluye la activación indirecta de receptores purinérgicos por la adenosina y el ATP, indicando que la adenosina y el ATP pueden actuar como mediadores importantes en el proceso de quimiotransducción ya que: a) la activación de los receptores nicotínicos de ACh en el CB en normoxia estimula la liberación de adenosina (max 36%) que aparentemente proviene de la degradación extracelular del ATP. Se observó también que este aumento de adenosina en el CB en hipoxia ha sido antagonizado parcialmente por antagonistas de estos mismos receptores; b) la caracterización farmacológica de los receptores nicotínicos de ACh involucrados en la estimulación de la liberación de adenosina del CB ha revelado que los receptores nicotínicos de ACh involucrados son constituidos por sub-unidades α4ß2. 3) la adenosina modula la liberación de CA de las células quimiorreceptoras del CB a través de receptores de adenosina A2B ya que: a) la cafeína, un antagonista no selectivo de los receptores de adenosina, ha inhibido la liberación de CA en normoxia y en respuesta a estímulos de baja intensidad siendo ineficaz en la liberación inducida por estímulos de intensidad superior; b) el DPCPX y el MRS1754 ha mimetizado los efectos de la cafeína en el CB y el SCH58621 ha sido incapaz de inducir la liberación de CA lo que sugiere que los efectos de la cafeína son mediados por receptores A2B de adenosina que están localizados pré-sinapticamente en las células quimiorreceptoras del CB. 4) la aplicación aguda de cafeína ha inhibido en 52% la actividad quimiosensora del CSN inducida por la hipoxia siendo este efecto mediado respectivamente por receptores de adenosina A2A pós-sinápticos y A2B pré-sinápticos lo que indica que la actividad quimiosensora inducida por la hipoxia es controlada por la adenosina. 5) existe una interacción entre los receptores A2B y D2 que controla la liberación de CA del CB de rata ya que: a) el sulpiride, un antagonista de los receptores D2, ha aumentado la liberación de CA de las células quimiorreceptoras revertiendo el efecto inhibitorio de la cafeína sobre esta misma liberación; b) los antagonistas de los receptores D2, domperidona y haloperidol, han aumentado la liberación basal e evocada de CA de las células quimiorreceptoras confirmando la presencia de autorreceptores D2 en el CB de rata que controlan la liberación de CA a través de un mecanismo de feed-back negativo; c) la propilnorapomorfina, un agonista D2, ha inhibido la liberación basal e evocada de CA sendo este efecto revertido por la NECA, un agonista de los receptores A2B. Ya que la NECA potencia el efecto del haloperidol en la liberación de CA la interacción entre los D2 y A2B puede también ocurrir al nivel de segundos mensajeros, como el cAMP. 6) la ingestión crónica de cafeína en ratas controlo (normóxicas) no ha cambiado significativamente la función basal del CB medida como la dinámica de sus neurotransmisores, dopamina, ATP y adenosina y como actividad quimiosensora del CSN. Al revés de lo que pasa con los efectos básales, la ingestión crónica de cafeína facilitó la respuesta a la hipóxia, ya que ha aumentado la respuesta ventilatória medida como volumen minuto presentando también una clara tendencia para aumentar la actividad quimiosensora del CSN y aumentar la liberación de ATP y dopamina. 7. Después de un período de 15 días de hipoxia crónica se puede observar el fenómeno de climatización ya que las respuestas ventilatórias a la hipoxia están aumentadas, así como la actividad quimiosensora del CSN basal e inducida por la hipoxia. Los cambios observados en el metabolismo de la dopamina, así como en la liberación basal de dopamina y de adenosina podrían contribuir para la climatización en hipoxia crónica. El aumento en la liberación de adenosina en respuesta a la hipoxia aguda en ratas sometidas a hipoxia crónica sugiere un papel para la adenosina en el mantenimiento/aumento de las respuestas ventilatórias a la hipoxia aguda en hipoxia crónica sostenida. Se ha observado también que la liberación de ATP inducida por la hipoxia aguda está disminuida en hipoxia crónica y que la ingestión crónica de cafeína reverte este efecto para valores similares a los valores controlo, sugiriendo que la adenosina podría modular la liberación de ATP en hipoxia crónica. 8. la ingestión crónica de cafeína ha inducido el aumento del metabolismo de CA en el CB en ratas hipóxicas crónicas, medido como expresión de la tirosina hidroxilase, contenido, síntesis y liberación de CA. 9. la ingestión crónica de cafeína no ha inducido cambios en la actividad quimiosensora del CSN en ratas hipóxicas crónicas sin embargo las respuestas do CSN a una hipoxia intensa y moderada y a la hipercapnia están disminuidas. Este efecto inhibitorio que es debido a la ingestión crónica de cafeína es compensado al nivel de los quimiorreceptores centrales ya que los parámetros ventilatórios en condiciones básales y en respuesta a la hipoxia aguda no están modificados en ratas expuestas durante 15 días a una atmósfera hipóxica. Resumiendo se puede concluir que la adenosina en situaciones de hipoxia aguda así como en hipoxia crónica tiene un papel excitatório en la actividad quimiosensora del CB actuando directamente en los receptores A2A localizados pós-sinapticamente en el CSN, así como controlando la liberación de dopamina pré-sinaptica vía receptores A2B localizados en las células quimiorreceptoras. Las interacciones entre los receptores A2B y D2 observadas en las células quimiorreceptoras del CB podrían explicar el aumento del metabolismo de CA observado después de la ingestión crónica de cafeína en animales hipóxicos. Por fin, pero no menos importante se puede concluir que durante la climatización a la hipoxia la acción inhibitoria de la cafeína, medida como respuesta ventilatória, mediada por los quimiorreceptores periféricos es compensada por los efectos excitatórios de esta xantina al nivel de los quimiorreceptores centrales.

Trans-Synaptic Signaling by Activity-Dependent Cleavage of Neuroligin-1

Throughout the brain, patterns of activity in postsynaptic neurons influence the properties of synaptic inputs. Such feedback regulation is central to neural network stability that underlies proper information processing and feature representation in the central nervous system. At the cellular level, tight coupling of presynaptic and postsynaptic function is fundamental to neural computation and synaptic plasticity. The cohort of protein complexes at the pre and postsynaptic membrane allows for tight synapse-specific segregation and integration of diverse molecular and electrical signals.(...)

Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.

Sustaining sleep spindles through enhanced SK2-channel activity consolidates sleep and elevates arousal threshold.

Sleep spindles are synchronized 11-15 Hz electroencephalographic (EEG) oscillations predominant during nonrapid-eye-movement sleep (NREMS). Rhythmic bursting in the reticular thalamic nucleus (nRt), arising from interplay between Ca(v)3.3-type Ca(2+) channels and Ca(2+)-dependent small-conductance-type 2 (SK2) K(+) channels, underlies spindle generation. Correlative evidence indicates that spindles contribute to memory consolidation and protection against environmental noise in human NREMS. Here, we describe a molecular mechanism through which spindle power is selectively extended and we probed the actions of intensified spindling in the naturally sleeping mouse. Using electrophysiological recordings in acute brain slices from SK2 channel-overexpressing (SK2-OE) mice, we found that nRt bursting was potentiated and thalamic circuit oscillations were prolonged. Moreover, nRt cells showed greater resilience to transit from burst to tonic discharge in response to gradual depolarization, mimicking transitions out of NREMS. Compared with wild-type littermates, chronic EEG recordings of SK2-OE mice contained less fragmented NREMS, while the NREMS EEG power spectrum was conserved. Furthermore, EEG spindle activity was prolonged at NREMS exit. Finally, when exposed to white noise, SK2-OE mice needed stronger stimuli to arouse. Increased nRt bursting thus strengthens spindles and improves sleep quality through mechanisms independent of EEG slow waves (<4 Hz), suggesting SK2 signaling as a new potential therapeutic target for sleep disorders and for neuropsychiatric diseases accompanied by weakened sleep spindles.

c-Jun N-terminal kinase has a key role in Alzheimer disease synaptic dysfunction in vivo.

Altered synaptic function is considered one of the first features of Alzheimer disease (AD). Currently, no treatment is available to prevent the dysfunction of excitatory synapses in AD. Identification of the key modulators of synaptopathy is of particular significance in the treatment of AD. We here characterized the pathways leading to synaptopathy in TgCRND8 mice and showed that c-Jun N-terminal kinase (JNK) is activated at the spine prior to the onset of cognitive impairment. The specific inhibition of JNK, with its specific inhibiting peptide D-JNKI1, prevented synaptic dysfunction in TgCRND8 mice. D-JNKI1 avoided both the loss of postsynaptic proteins and glutamate receptors from the postsynaptic density and the reduction in size of excitatory synapses, reverting their dysfunction. This set of data reveals that JNK is a key signaling pathway in AD synaptic injury and that its specific inhibition offers an innovative therapeutic strategy to prevent spine degeneration in AD.

Myotonic dystrophy transgenic mice exhibit pathologic abnormalities in diaphragm neuromuscular junctions and phrenic nerves

Myotonic dystrophy Type 1 (DM-1) is caused by abnormal expansion of a (CTG) repeat located in the DM protein kinase gene. Respiratory problems have long been recognized to be a major feature of this disorder. Because respiratory failure can be associated with dysfunction of phrenic nerves and diaphragm muscle, we examined the diaphragm and respiratory neural network in transgenic mice carrying the human genomic DM-1 region with expanded repeats of more than 300 CTG, a valid model of the human disease. Morphologic and morphometric analyses revealed distal denervation of diaphragm neuromuscular junctions in DM-1 transgenic mice indicated by a decrease in the size and shape complexity of end-plates and a reduction in the concentration of acetyl choline receptors on the postsynaptic membrane. More importantly, there was a significant reduction in numbers of unmyelinated, but not of myelinated, fibers in DM-1 phrenic nerves; no morphologic alternations of the nerves or loss of neuronal cells were detected in medullary respiratory centers or cervical phrenic motor neurons. Because neuromuscular junctions are involved in action potential transmission and the afferent phrenic unmyelinated fibers control the inspiratory activity, our results suggest that the respiratory impairment associated with DM-1 may be partially due to pathologic alterations in neuromuscular junctions and phrenic nerves.

Oxytocin enhances the inhibitory effects of diazepam in the rat central medial amygdala.

Oxytocin is a neuropeptide that can reduce neophobia and improve social affiliation. In vitro, oxytocin induces a massive release of GABA from neurons in the lateral division of the central amygdala which results in inhibition of a subpopulation of peripherally projecting neurons in the medial division of the central amygdala (CeM). Common anxiolytics, such as diazepam, act as allosteric modulators of GABA(A) receptors. Because oxytocin and diazepam act on GABAergic transmission, it is possible that oxytocin can potentiate the inhibitory effects of diazepam if both exert their pre, - respectively postsynaptic effects on the same inhibitory circuit in the central amygdala. We found that in CeM neurons in which diazepam increased the inhibitory postsynaptic current (IPSC) decay time, TGOT (a specific oxytocin receptor agonist) increased IPSC frequency. Combined application of diazepam and TGOT resulted in generation of IPSCs with increased frequency, decay times as well as amplitudes. While individual saturating concentrations of TGOT and diazepam each decreased spontaneous spiking frequency of CeM neurons to similar extent, co-application of the two was still able to cause a significantly larger decrease. These findings show that oxytocin and diazepam act on different components of the same GABAergic circuit in the central amygdala and that oxytocin can facilitate diazepam effects when used in combination. This raises the possibility that neuropeptides could be clinically used in combination with currently used anxiolytic treatments to improve their therapeutic efficacy.

Distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 in human cerebral cortex: an immunohistochemical study

The monocarboxylate transporter MCT2 belongs to a large family of membrane proteins involved in the transport of lactate, pyruvate and ketone bodies. Although its expression in rodent brain has been well documented, the presence of MCT2 in the human brain has been questioned on the basis of low mRNA abundance. In this study, the distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 has been investigated in the cortex of normal adult human brain using an immunohistochemical approach. Widespread neuropil staining in all cortical layers was observed by light microscopy. Such a distribution was very similar in three different cortical areas investigated. At the cellular level, the expression of MCT2 could be observed in a large number of neurons, in fibers both in grey and white matter, as well as in some astrocytes, mostly localized in layer I and in the white matter. Double staining experiments combined with confocal microscopy confirmed the neuronal expression but also suggested a preferential postsynaptic localization of synaptic MCT2 expression. A few astrocytes in the grey matter appeared to exhibit MCT2 labelling but at low levels. Electron microscopy revealed strong MCT2 expression at asymmetric synapses in the postsynaptic density and also within the spine head but not in the presynaptic terminal. These data not only demonstrate neuronal MCT2 expression in human, but since a portion of it exhibits a distinct synaptic localization, it further supports a putative role for MCT2 in adjustment of energy supply to levels of activity.