Immunohistochemical localization of adenylyl cyclase in rat brain indicates a highly selective concentration at synapses.

Only three isoforms of adenylyl cyclase (EC 4.6.1.1) mRNAs (AC1, -2, and -5) are expressed at high levels in rat brain. AC1 occurs predominantly in hippocampus and cerebellum, AC5 is restricted to the basal ganglia, whereas AC2 is more widely expressed, but at much lower levels. The distribution and abundance of adenylyl cyclase protein were examined by immunohistochemistry with an antiserum that recognizes a peptide sequence shared by all known mammalian adenylyl cyclase isoforms. The immunoreactivity in striatum and hippocampus could be readily interpreted within the context of previous in situ hybridization studies. However, extending the information that could be gathered by comparisons with in situ hybridization analysis, it was apparent that staining was confined to the neuropil--corresponding to immunoreactive dendrites and axon terminals. Electron microscopy indicated a remarkably selective subcellular distribution of adenylyl cyclase protein. In the CA1 area of the hippocampus, the densest immunoreactivity was seen in postsynaptic densities in dendritic spine heads. Labeled presynaptic axon terminals were also observed, indicating the participation of adenylyl cyclase in the regulation of neurotransmitter release. The selective concentration of adenylyl cyclases at synaptic sites provides morphological data for understanding the pre- and postsynaptic roles of adenylyl cyclase in discrete neuronal circuits in rat brain. The apparent clustering of adenylyl cyclases, coupled with other data that suggest higher-order associations of regulatory elements including G proteins, N-methyl-D-aspartate receptors, and cAMP-dependent protein kinases, suggests not only that the primary structural information has been encoded to render the cAMP system responsive to the Ca(2+)-signaling system but also that higher-order strictures are in place to ensure that Ca2+ signals are economically delivered and propagated.

Regulation of excitatory transmission at hippocampal synapses by calbindin D28k.

Distinct subpopulations of neurons in the brain contain one or more of the Ca(2+)-binding proteins calbindin D28k, calretinin, and parvalbumin. Although it has been shown that these high-affinity Ca(2+)-binding proteins can increase neuronal Ca2+ buffering capacity, it is not clear which aspects of neuronal physiology they normally regulate. To investigate this problem, we used a recently developed method for expressing calbindin D28k in the somatic and synaptic regions of cultured hippocampal pyramidal neurons. Ninety-six hours after infection with a replication-defective adenovirus containing the calbindin D28k gene, essentially all cultured hippocampal pyramidal neurons robustly expressed calbindin D28k. Our results demonstrate that while calbindin D28k does not alter evoked neurotransmitter release at excitatory pyramidal cell synapses, this protein has a profound effect on synaptic plasticity. In particular, we show that calbindin D28k expression suppresses posttetanic potentiation.

Does Müller cell differentiation occur prior to the emergence of synapses in embryonic turtle retina?

Müller cells are the main glial cells in the retina, and are related to plexiform layer activity. Recent studies have demonstrated that Müller cells are involved in the synaptic conservation, plasticity, development and metabolism of glutamate. During turtle retinal development, layers, cells and synapses appear at different times. The aim of this research is to study the emergence of Müller cells during embryonic development and their relationship with the synaptogenesis. The authors used retinas from Trachemys scripta elegans embryos at stages S14, 18, 20, 23, and 26. Some retinas were processed with immunocytochemistry in order to detect the presence of glutamine synthetase in Müller cells, which was used as a marker of these cells. Other retinas from the same stages were processed for ultrastructural studies. Samples were observed in confocal and transmission electron microscopes, respectively. The present results show that glutamine synthetase expression in Müller cells occurs at S18, before the emergence of the retinal layers and the early synapses.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Investigation du rôle de Myo9b dans la migration des interneurones GABAergiques corticaux

Les encéphalopathies épileptogènes sont des maladies graves de l’enfance associant une épilepsie, souvent réfractaire, et un retard de développement. Les mécanismes sous-tendant ces maladies sont peu connus. Cependant, nous postulons que ces épilepsies puissent être causées par une dysfonction du réseau inhibiteur. En effet, des défauts de migration ou de maturation des interneurones GABAergiques (INs) corticaux induisent l’épilepsie, tant chez l’humain que chez la souris. Dans le but d’étudier les causes génétiques des encéphalopathies épileptogènes sporadiques inexpliquées, le laboratoire de la Dre Rossignol a procédé au séquençage d’exome entier d’une cohorte d’enfants atteints. Cela a permis d’identifier, chez un patient, une nouvelle mutation de novo, possiblement pathogène, dans le gène MYO9b. MYO9b est impliqué dans la migration de cellules immunitaires et cancéreuses et est exprimée durant le développement cérébral. Nous émettons l’hypothèse voulant que MYO9b puisse être importante pour la migration des INs corticaux. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que Myo9b est exprimé dès le stade embryonnaire par les progéniteurs des INs corticaux et que son expression se restreint aux INs dans le cortex mature. De plus, nous démontrons que la répression ex vivo de Myo9b sélectivement dans les INs au sein de tranches corticales organotypiques embryonnaires mène à des défauts morphologiques majeurs de ces cellules en migration. En effet, ces cellules présentent une morphologie multipolaire et des neurites rostraux plus longs et plus complexes. Ces changements morphologiques pourraient avoir un impact majeur sur la migration des INs et ainsi perturber le développement des réseaux inhibiteurs.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Neuromuscular synapses mediate motor axon branching and motoneuron survival during the embryonic period of programmed cell death

The embryonic period of motoneuron programmed cell death (PCD) is marked by transient motor axon branching, but the role of neuromuscular synapses in regulating motoneuron number and axonal branching is not known. Here, we test whether neuromuscular synapses are required for the quantitative association between reduced skeletal muscle contraction, increased motor neurite branching, and increased motoneuron survival. We achieved this by comparing agrin and rapsyn mutant mice that lack acetylcholine receptor (AChR) clusters. There were significant reductions in nerve-evoked skeletal muscle contraction, increases in intramuscular axonal branching, and increases in spinal motoneuron survival in agrin and rapsyn mutant mice compared with their wild-type littermates at embryonic day 18.5 (E18.5). The maximum nerve-evoked skeletal muscle contraction was reduced a further 17% in agrin mutants than in rapsyn mutants. This correlated to an increase in motor axon branch extension and number that was 38% more in agrin mutants than in rapsyn mutants. This suggests that specializations of the neuromuscular synapse that ensure efficient synaptic transmission and muscle contraction are also vital mediators of motor axon branching. However, these increases in motor axon branching did not correlate with increases in motoneuron survival when comparing agrin and rapsyn mutants. Thus, agrin-induced synaptic specializations are required for skeletal muscle to effectively control motoneuron numbers during embryonic development. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

The motor neurite terminal determines where neuromuscular synapses form in the absence of agrin

Agrin is a proteoglycan secreted by motor neurite terminals that functions to initiate and maintain AChR clusters at the nerve terminal. This led to the theory that neurite terminals decide where neuromuscular synapses form by secreting agrin. However, initiation of AChR clustering occurs in the absence of the innervating motoneuron and in the absence of agrin. In this instance, the muscle, not the nerve, is deciding the location of neuromuscular synapses by drawing neurite terminals towards pre-existing AChR clusters. If this were true, one would expect the initial innervation patterns to be the same in agrin-deficient mice and wild-type mice. To test this we quantified the intramuscular axonal branching and synapse formation in the diaphragm at E14.5 in agrin-deficient mice and wild-type mice. Heterozygote mothers were anaesthetised with Nembutal (30 mg) and killed via cervical dislocation. In the diaphragm, the nerve trunk runs down the centre of the muscle and extends branches primarily toward the lateral side. In agrin-deficient mice however, we found significantly more branches exited the phrenic nerve trunk, branched in the periphery and extended further on the medial side. Moreover, we found that the percentage α-bungarotoxin/synaptophysin colocalisations, markers of pre- and postsynaptic differentiation, respectively, was the same in agrin-deficient mice and wild-type mice. These results show that initial innervation patterns are not the same in agrin-deficient mice and wild-type mice indicating neurite terminals, not muscle, decide the placement of neuromuscular synapses in the absence of agrin.

Synapses, quantum theory and panpsychism

The introduction situates the ‘hard problem’ in its historical context and argues that the problem has two sides: the output side (the Kant-Eccles problem of the freedom of the Will) and the input side (the problem of qualia). The output side ultimately reduces to whether quantum mechanics can affect the operation of synapses. A discussion of the detailed molecular biology of synaptic transmission as presently understood suggests that such affects are unlikely. Instead an evolutionary argument is presented which suggests that our conviction of free agency is an evolutionarily induced illusion and hence that the Kant-Eccles problem is itself illusory. This conclusion is supported by well-known neurophysiology. The input side, the problem of qualia, of subjectivity, is not so easily outflanked. After a brief review of the neurophysiological correlates of consciousness (NCC) and of the Penrose-Hameroff microtubular neuroquantology it is again concluded that the molecular neurobiology makes quantum wave-mechanics an unlikely explanation. Instead recourse is made to an evolutionarily- and neurobiologically-informed panpsychism. The notion of an ‘emergent’ property is carefully distinguished from that of the more usual ‘system’ property used by most dual-aspect theorists (and the majority of neuroscientists) and used to support Llinas’ concept of an ‘oneiric’ consciousness continuously modified by sensory input. I conclude that a panpsychist theory, such as this, coupled with the non-classical understanding of matter flowing from quantum physics (both epistemological and scientific) may be the default and only solution to the problem posed by the presence of mind in a world of things.

Functional characterization of GABAergic pallidopallidal and striatopallidal synapses in the rat globus pallidus in vitro

As a central integrator of basal ganglia function, the external segment of the globus pallidus (GP) plays a critical role in the control of voluntary movement. Driven by intrinsic mechanisms and excitatory glutamatergic inputs from the subthalamic nucleus, GP neurons receive GABAergic inhibitory input from the striatum (Str-GP) and from local collaterals of neighbouring pallidal neurons (GP-GP). Here we provide electrophysiological evidence for functional differences between these two inhibitory inputs. The basic synaptic characteristics of GP-GP and Str-GP GABAergic synapses were studied using whole-cell recordings with paired-pulse and train stimulation protocols and variance-mean (VM) analysis. We found (i) IPSC kinetics are consistent with local collaterals innervating the soma and proximal dendrites of GP neurons whereas striatal inputs innervate more distal regions. (ii) Compared to GP-GP synapses Str-GP synapses have a greater paired-pulse ratio, indicative of a lower probability of release. This was confirmed using VM analysis. (iii) In response to 20 and 50 Hz train stimulation, GP-GP synapses are weakly facilitatory in 1 mm external calcium and depressant in 2.4 mm calcium. This is in contrast to Str-GP synapses which display facilitation under both conditions. This is the first quantitative study comparing the properties of GP-GP and Str-GP synapses. The results are consistent with the differential location of these inhibitory synapses and subtle differences in their release probability which underpin stable GP-GP responses and robust short-term facilitation of Str-GP responses. These fundamental differences may provide the physiological basis for functional specialization.

Frequency selectivity and dopamine-dependence of plasticity at glutamatergic synapses in the subthalamic nucleus

In Parkinson's disease, subthalamic nucleus (STN) neurons burst fire with increased periodicity and synchrony. This may entail abnormal release of glutamate, the major source of which in STN is cortical afferents. Indeed, the cortico-subthalamic pathway is implicated in the emergence of excessive oscillations, which are reduced, as are symptoms, by dopamine-replacement therapy or deep brain stimulation (DBS) targeted to STN. Here we hypothesize that glutamatergic synapses in the STN may be differentially modulated by low-frequency stimulation (LFS) and high-frequency stimulation (HFS), the latter mimicking deep brain stimulation. Recordings of evoked and spontaneous excitatory post synaptic currents (EPSCs) were made from STN neurons in brain slices obtained from dopamine-intact and chronically dopamine-depleted adult rats. HFS had no significant effect on evoked (e) EPSC amplitude in dopamine-intact slices (104.4±8.0%) but depressed eEPSCs in dopamine-depleted slices (67.8±6.2%). Conversely, LFS potentiated eEPSCs in dopamine-intact slices (126.4±8.1%) but not in dopamine-depleted slices (106.7±10.0%). Analyses of paired-pulse ratio, coefficient of variation, and spontaneous EPSCs suggest that the depression and potentiation have a presynaptic locus of expression. These results indicate that the synaptic efficacy in dopamine-intact tissue is enhanced by LFS. Furthermore, the synaptic efficacy in dopamine-depleted tissue is depressed by HFS. Therefore the therapeutic effects of DBS in Parkinson's disease appear mediated, in part, by glutamatergic cortico-subthalamic synaptic depression and implicate dopamine-dependent increases in the weight of glutamate synapses, which would facilitate the transfer of pathological oscillations from the cortex.

Differential localization of GABAA receptor subunits in relation to rat striatopallidal and pallidopallidal synapses

As a central integrator of basal ganglia function, the external segment of the globus pallidus (GP) plays a critical role in the control of voluntary movement. The GP is composed of a network of inhibitory GABA-containing projection neurons which receive GABAergic input from axons of the striatum (Str) and local collaterals of GP neurons. Here, using electrophysiological techniques and immunofluorescent labeling we have investigated the differential cellular distribution of a1, a2 and a3 GABAA receptor subunits in relation to striatopallidal (Str-GP) and pallidopallidal (GP-GP) synapses. Electrophysiological investigations showed that zolpidem (100 nm; selective for the a1 subunit) increased the amplitude and the decay time of both Str-GP and GP-GP IPSCs, indicating the presence of the a1 subunits at both synapses. However, the application of drugs selective for the a2, a3 and a5 subunits (zolpidem at 400 nm, L-838,417 and TP003) revealed differential effects on amplitude and decay time of IPSCs, suggesting the nonuniform distribution of non-a1 subunits. Immunofluorescence revealed widespread distribution of the a1 subunit at both soma and dendrites, while double- and triple-immunofluorescent labeling for parvalbumin, enkephalin, gephyrin and the ?2 subunit indicated strong immunoreactivity for GABAAa3 subunits in perisomatic synapses, a region mainly targeted by local axon collaterals. In contrast, immunoreactivity for synaptic GABAAa2 subunits was observed in dendritic compartments where striatal synapses are preferentially located. Due to the kinetic properties which each GABAAa subunit confers, this distribution is likely to contribute differentially to both physiological and pathological patterns of activity.

On the transmission properties of synapses made between granule cells and cerebellar Purkinje cells

In the cerebellar cortex, forms of both long-term depression (LTD) and long-term potentiation (LTP) can be observed at parallel fibre (PF) - Purkinje cell (PC) synapses. A presynaptic variant of cerebellar LTP can be evoked in PCs by raised frequency stimulation (RFS) of parallel fibre at 4-16Hz for 15s. This form of LTP is dependent on protein kinase A (PKA) and nitric oxide (NO), and can spread to distant synapses. Application of an extracellular NO scavenger, cPTIO, was found to prevent the spread of LTP to distant PF synapses in rat cerebellar slices. G-substrate may be an important mediator of the NO-dependent pathway for LTD. 8-16Hz RFS of PFs without a high concentration of calcium chelator in the postsynaptic cell evokes LTD. In cerebellar slices from wild-type and transgenic, G-substrate knockout mice, 8Hz RFS was applied to PFs, with a low concentration of postsynaptic calcium chelator. In PCs from wild-type mice, LTD predominated, whereas in those from transgenic mice LTP predominated. The ascending axon (AA) segment of the granule cell axon forms synapses with PCs as well as the PF segment. PPF and fluctuation analysis of EPSCs in rat PCs confirmed that the release sites of AA synapses have a greater probability of transmitter release than PF synapses. Furthermore, AA release sites have greater mean quantal amplitude than PF synapses, which is not due to a different type of postsynaptic receptor. AA synapses were found to have limited capacity to undergo the presynaptic variant of LTP, and were potentiated less than PF synapses in the presence of the PKA activator, forskolin. AA synapses also did not undergo the postsynaptic form of LTP, nor LTD induced by conjunctive stimulation of climbing fibre and PF.