Neuron participation in a synchrony-encoding assembly

Affiliation: Svetlana Shumikhina &Stéphane Molotchnikoff : Département de Sciences Biologiques, Université de Montréal

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Codage de l’information visuelle par la plasticité et la synchronisation des réponses neuronales dans le cortex visuel primaire du chat

Les systèmes sensoriels encodent l’information sur notre environnement sous la forme d’impulsions électriques qui se propagent dans des réseaux de neurones. Élucider le code neuronal – les principes par lesquels l’information est représentée dans l’activité des neurones – est une question fondamentale des neurosciences. Cette thèse constituée de 3 études (E) s’intéresse à deux types de codes, la synchronisation et l’adaptation, dans les neurones du cortex visuel primaire (V1) du chat. Au niveau de V1, les neurones sont sélectifs pour des propriétés comme l’orientation des contours, la direction et la vitesse du mouvement. Chaque neurone ayant une combinaison de propriétés pour laquelle sa réponse est maximale, l’information se retrouve distribuée dans différents neurones situés dans diverses colonnes et aires corticales. Un mécanisme potentiel pour relier l’activité de neurones répondant à des items eux-mêmes reliés (e.g. deux contours appartenant au même objet) est la synchronisation de leur activité. Cependant, le type de relations potentiellement encodées par la synchronisation n’est pas entièrement clair (E1). Une autre stratégie de codage consiste en des changements transitoires des propriétés de réponse des neurones en fonction de l’environnement (adaptation). Cette plasticité est présente chez le chat adulte, les neurones de V1 changeant d’orientation préférée après exposition à une orientation non préférée. Cependant, on ignore si des neurones spatialement proches exhibent une plasticité comparable (E2). Finalement, nous avons étudié la dynamique de la relation entre synchronisation et plasticité des propriétés de réponse (E3). Résultats principaux — (E1) Nous avons montré que deux stimuli en mouvement soit convergent soit divergent élicitent plus de synchronisation entre les neurones de V1 que deux stimuli avec la même direction. La fréquence de décharge n’était en revanche pas différente en fonction du type de stimulus. Dans ce cas, la synchronisation semble coder pour la relation de cocircularité dont le mouvement convergent (centripète) et divergent (centrifuge) sont deux cas particuliers, et ainsi pourrait jouer un rôle dans l’intégration des contours. Cela indique que la synchronisation code pour une information qui n’est pas présente dans la fréquence de décharge des neurones. (E2) Après exposition à une orientation non préférée, les neurones changent d’orientation préférée dans la même direction que leurs voisins dans 75% des cas. Plusieurs propriétés de réponse des neurones de V1 dépendent de leur localisation dans la carte fonctionnelle corticale pour l’orientation. Les comportements plus diversifiés des 25% de neurones restants sont le fait de différences fonctionnelles que nous avons observé et qui suggèrent une localisation corticale particulière, les singularités, tandis que la majorité des neurones semblent situés dans les domaines d’iso-orientation. (E3) Après adaptation, les paires de neurones dont les propriétés de réponse deviennent plus similaires montrent une synchronisation accrue. Après récupération, la synchronisation retourne à son niveau initial. Par conséquent, la synchronisation semble refléter de façon dynamique la similarité des propriétés de réponse des neurones. Conclusions — Cette thèse contribue à notre connaissance des capacités d’adaptation de notre système visuel à un environnement changeant. Nous proposons également des données originales liées au rôle potentiel de la synchronisation. En particulier, la synchronisation semble capable de coder des relations entre objets similaires ou dissimilaires, suggérant l’existence d’assemblées neuronales superposées.

Analyse des réponses neuronales du cortex visuel primaire du chat à la fréquence spatiale suite à des adaptations répétées

Les neurones du cortex visuel primaire (aire 17) du chat adulte répondent de manière sélective à différentes propriétés d’une image comme l’orientation, le contraste ou la fréquence spatiale. Cette sélectivité se manifeste par une réponse sous forme de potentiels d’action dans les neurones visuels lors de la présentation d’une barre lumineuse de forme allongée dans les champs récepteurs de ces neurones. La fréquence spatiale (FS) se mesure en cycles par degré (cyc./deg.) et se définit par la quantité de barres lumineuses claires et sombres présentées à une distance précise des yeux. Par ailleurs, jusqu’à récemment, l’organisation corticale chez l’adulte était considérée immuable suite à la période critique post-natale. Or, lors de l'imposition d'un stimulus non préféré, nous avons observé un phénomène d'entrainement sous forme d'un déplacement de la courbe de sélectivité à la suite de l'imposition d'une FS non-préférée différente de la fréquence spatiale optimale du neurone. Une deuxième adaptation à la même FS non-préférée induit une réponse neuronale différente par rapport à la première imposition. Ce phénomène de "gain cortical" avait déjà été observé dans le cortex visuel primaire pour ce qui est de la sélectivité à l'orientation des barres lumineuses, mais non pour la fréquence spatiale. Une telle plasticité à court terme pourrait être le corrélat neuronal d'une modulation de la pondération relative du poids des afférences synaptiques.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Development and plasticity of locomotor circuits in the zebrafish spinal cord

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord.

Biopacemaker acceleration without increased synchronization by chronic exposure to phorbol myristate acetate

L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste.

Comparison of NRT based MAPs and preferred MAPs in adult Nucleus CI24 cochlear implant users

Comparison of subjects' preferred MAPs worn in everyday life and MAPs created using electrically evoked compound action potentials using neural response telemetry measures in adult Nucleus CI24 implant users.

Investigation of the effects of the novel anticonvulsant compound carisbamate(RWJ-333369) on rat piriform cortical neurones in vitro

Background and purpose: Carisbamate is being developed for adjuvant treatment of partial onset epilepsy. Carisbamate produces anticonvulsant effects in primary generalized, complex partial and absence-type seizure models, and exhibits neuroprotective and antiepileptogenic properties in rodent epilepsy models. Phase IIb clinical trials of carisbamate demonstrated efficacy against partial onset seizures; however, its mechanisms of action remain unknown. Here, we report the effects of carisbamate on membrane properties, evoked and spontaneous synaptic transmission and induced epileptiform discharges in layer II-III neurones in piriform cortical brain slices. Experimental approach: Effects of carisbamate were investigated in rat piriform cortical neurones by using intracellular electrophysiological recordings. Key results: Carisbamate (50–400 mmol·L-1) reversibly decreased amplitude, duration and rise-time of evoked action potentials and inhibited repetitive firing, consistent with use-dependent Na+ channel block; 150–400 mmol·L-1 carisbamate reduced neuronal input resistance, without altering membrane potential. After microelectrode intracellular Cl- loading, carisbamate depolarized cells, an effect reversed by picrotoxin. Carisbamate (100–400 mmol·L-1) also selectively depressed lateral olfactory tract-afferent evoked excitatory synaptic transmission (opposed by picrotoxin), consistent with activation of a presynaptic Cl conductance. Lidocaine (40–320 mmol·L-1) mimicked carisbamate, implying similar modes of action. Carisbamate (300–600 mmol·L-1) had no effect on spontaneous GABAA miniature inhibitory postsynaptic currents and at lower concentrations (50–200 mmol·L-1) inhibited Mg2+-free or 4-aminopyridine-induced seizure-like discharges. Conclusions and implications: Carisbamate blocked evoked action potentials use-dependently, consistent with a primary action on Na+ channels and increased Cl- conductances presynaptically and, under certain conditions, postsynaptically to selectively depress excitatory neurotransmission in piriform cortical layer Ia-afferent terminals.

G-protein-coupled-receptor-mediated presynaptic inhibition in the cerebellum

Throughout the central nervous system a dominant form of inhibition of neurotransmitter release from presynaptic terminals is mediated by G-protein-coupled receptors (GPCRs). Neurotransmitter release is typically induced by action potentials (APs), but can also occur spontaneously. Presynaptic inhibition by GPCRs has been associated with modulation of voltage-dependent ion channels. However, electrophysiological recordings of spontaneous, AP-independent (so-called ‘miniature’) postsynaptic events reveal an additional, important form of GPCR-mediated presynaptic inhibition, distinct from effects on ionic conductances and consistent with a direct action on the vesicle release machinery. Recent studies suggest that such miniature events might be of physiological relevance not only in signalling but also in development. In the cerebellum, neurotransmitter release onto Purkinje cells occurs by AP-dependent and AP-independent pathways. Here, I focus on inhibitory synapses between interneurons and Purkinje cells, which are subject to strong, identifiable regulation by endogenous GPCR agonists, to consider mechanisms of GPCR-mediated presynaptic inhibition.

The effects of paeonol on the electrophysiological properties of cardiac ventricular myocytes

Previous studies have shown that "Mudanpi", a Chinese herbal medicine, has a significant cardioprotective effect against myocardial ischaemia. Based on these findings we hypothesised that paeonol, the main component of Mudanpi, might have an effect on the cellular electrophysiology of cardiac ventricular myocytes. The effects of paeonol on the action potential and ion channels of cardiac ventricular myocytes were studied using the standard whole-cell configuration of the patch-clamp technique. Ventricular myocytes were isolated from the hearts of adult guinea-pig by enzymic dispersion. The myocytes were continuously perfused with various experimental solutions at room temperature and paeonol applied in the perfusate. Action potentials and membrane currents were recorded using both current and voltage clamp modes of the patch-clamp technique. Paeonol, at concentrations 160 mu M and 640 mu M, decreased the action potential upstroke phase, an action associated with the blockade of the voltage-gated, fast sodium channel. The effects of paeonol on both action potential and Na+ current were concentration dependent. Paeonol had a high affinity for inactivated sodium channels. Paeonol also shortened the action potential duration, in a manner not associated with the blockade of the calcium current, or the enhancement of potassium currents. These findings suggest that paeonol, and therefore Mudanpi, may possess antiarrhythmic activity, which may confer its cardioprotective effects. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

The application of the Hilbert spectrum to the analysis of electromyographic signals

This paper investigates the application of the Hilbert spectrum (HS), which is a recent tool for the analysis of nonlinear and nonstationary time-series, to the study of electromyographic (EMG) signals. The HS allows for the visualization of the energy of signals through a joint time-frequency representation. In this work we illustrate the use of the HS in two distinct applications. The first is for feature extraction from EMG signals. Our results showed that the instantaneous mean frequency (IMNF) estimated from the HS is a relevant feature to clinical practice. We found that the median of the IMNF reduces when the force level of the muscle contraction increases. In the second application we investigated the use of the HS for detection of motor unit action potentials (MUAPs). The detection of MUAPs is a basic step in EMG decomposition tools, which provide relevant information about the neuromuscular system through the morphology and firing time of MUAPs. We compared, visually, how MUAP activity is perceived on the HS with visualizations provided by some traditional (e.g. scalogram, spectrogram, Wigner-Ville) time-frequency distributions. Furthermore, an alternative visualization to the HS, for detection of MUAPs, is proposed and compared to a similar approach based on the continuous wavelet transform (CWT). Our results showed that both the proposed technique and the CWT allowed for a clear visualization of MUAP activity on the time-frequency distributions, whereas results obtained with the HS were the most difficult to interpret as they were extremely affected by spurious energy activity. (c) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

The neurochemically diverse intermedius nucleus of the medulla as a source of excitatory and inhibitory synaptic input to the nucleus tractus solitarii

Sensory afferent signals from neck muscles have been postulated to influence central cardiorespiratory control as components of postural reflexes, but neuronal pathways for this action have not been identified. The intermedius nucleus of the medulla (InM) is a target of neck muscle spindle afferents and is ideally located to influence such reflexes but is poorly investigated. To aid identification of the nucleus, we initially produced three-dimensional reconstructions of the InM in both mouse and rat. Neurochemical analysis including transgenic reporter mice expressing green fluorescent protein in GABA-synthesizing neurons, immunohistochemistry, and in situ hybridization revealed that the InM is neurochemically diverse, containing GABAegric and glutamatergic neurons with some degree of colocalization with parvalbumin, neuronal nitric oxide synthase, and calretinin. Projections from the InM to the nucleus tractus solitarius (NTS) were studied electrophysiologically in rat brainstem slices. Electrical stimulation of the NTS resulted in antidromically activated action potentials within InM neurons. In addition, electrical stimulation of the InM resulted in EPSPs that were mediated by excitatory amino acids and IPSPs mediated solely by GABA(A) receptors or by GABA(A) and glycine receptors. Chemical stimulation of the InM resulted in (1) a depolarization of NTS neurons that were blocked by NBQX (2,3-dioxo-6-nitro-1,2,3,4-tetrahydrobenzo[f]quinoxaline-7-sulfonoamide) or kynurenic acid and (2) a hyperpolarization of NTS neurons that were blocked by bicuculline. Thus, the InM contains neurochemically diverse neurons and sends both excitatory and inhibitory projections to the NTS. These data provide a novel pathway that may underlie possible reflex changes in autonomic variables after neck muscle spindle afferent activation.

Localization and function of the Kv3.1b subunit in the rat medulla oblongata: focus on the nucleus tractus solitarii

The voltage-gated potassium channel subunit Kv3.1 confers fast firing characteristics to neurones. Kv3.1b subunit immunoreactivity (Kv3.1b-IR) was widespread throughout the medulla oblongata, with labelled neurones in the gracile, cuneate and spinal trigeminal nuclei. In the nucleus of the solitary tract (NTS), Kv3.1b-IR neurones were predominantly located close to the tractus solitarius (TS) and could be GABAergic or glutamatergic. Ultrastructurally, Kv3.1b-IR was detected in NTS terminals, some of which were vagal afferents. Whole-cell current-clamp recordings from neurones near the TS revealed electrophysiological characteristics consistent with the presence of Kv3.1b subunits: short duration action potentials (4.2 +/- 1.4 ms) and high firing frequencies (68.9 +/- 5.3 Hz), both sensitive to application of TEA (0.5 mm) and 4-aminopyridine (4-AP; 30 mum). Intracellular dialysis of an anti-Kv3.1b antibody mimicked and occluded the effects of TEA and 4-AP in NTS and dorsal column nuclei neurones, but not in dorsal vagal nucleus or cerebellar Purkinje cells (which express other Kv3 subunits, but not Kv3.1b). Voltage-clamp recordings from outside-out patches from NTS neurones revealed an outward K(+) current with the basic characteristics of that carried by Kv3 channels. In NTS neurones, electrical stimulation of the TS evoked EPSPs and IPSPs, and TEA and 4-AP increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. Synaptic inputs evoked by stimulation of a region lacking Kv3.1b-IR neurones were not affected, correlating the presence of Kv3.1b in the TS with the pharmacological effects.

Phosphorylation of the voltage-gated potassium channel Kv2.1 by AMP-activated protein kinase regulates membrane excitability

Firing of action potentials in excitable cells accelerates ATP turnover. The voltage-gated potassium channel Kv2.1 regulates action potential frequency in central neurons, whereas the ubiquitous cellular energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated by ATP depletion and protects cells by switching off energy-consuming processes. We show that treatment of HEK293 cells expressing Kv2.1 with the AMPK activator A-769662 caused hyperpolarizing shifts in the current-voltage relationship for channel activation and inactivation. We identified two sites (S440 and S537) directly phosphorylated on Kv2.1 by AMPK and, using phosphospecific antibodies and quantitative mass spectrometry, show that phosphorylation of both sites increased in A-769662-treated cells. Effects of A-769662 were abolished in cells expressing Kv2.1 with S440A but not with S537A substitutions, suggesting that phosphorylation of S440 was responsible for these effects. Identical shifts in voltage gating were observed after introducing into cells, via the patch pipette, recombinant AMPK rendered active but phosphatase-resistant by thiophosphorylation. Ionomycin caused changes in Kv2.1 gating very similar to those caused by A-769662 but acted via a different mechanism involving Kv2.1 dephosphorylation. In cultured rat hippocampal neurons, A-769662 caused hyperpolarizing shifts in voltage gating similar to those in HEK293 cells, effects that were abolished by intracellular dialysis with Kv2.1 antibodies. When active thiophosphorylated AMPK was introduced into cultured neurons via the patch pipette, a progressive, time-dependent decrease in the frequency of evoked action potentials was observed. Our results suggest that activation of AMPK in neurons during conditions of metabolic stress exerts a protective role by reducing neuronal excitability and thus conserving energy.