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.

Rotenone induces degeneration of photoreceptors and impairs the dopaminergic system in the rat retina

Rotenone is a widely used pesticide and a potent inhibitor of mitochondrial complex I (NADH-quinone reductase) that elicits the degeneration of dopaminergic neurons and thereby the appearance of a parkinsonian syndrome. Here we have addressed the alterations induced by rotenone at the functional, morphological and molecular levels in the retina, including those involving both dopaminergic and non-dopaminergic retinal neurons. Rotenone-treated rats showed abnormalities in equilibrium, postural instability and involuntary movements. In their outer retina we observed a loss of photoreceptors, and a reduced synaptic connectivity between those remaining and their postsynaptic neurons. A dramatic loss of mitochondria was observed in the inner segments, as well as in the axon terminals of photoreceptors. In the inner retina we observed a decrease in the expression of dopaminergic cell molecular markers, including loss of tyrosine hydroxylase immunoreactivity, associated with a reduction of the dopaminergic plexus and cell bodies. An increase in immunoreactivity of AII amacrine cells for parvalbumin, a Ca2+-scavenging protein, was also detected. These abnormalities were accompanied by a decrease in the amplitude of scotopic and photopic a- and b-waves and an increase in the b-wave implicit time, as well as by a lower amplitude and greater latency in oscillatory potentials. These results indicate that rotenone induces loss of vision by promoting photoreceptor cell death and impairment of the dopaminergic retinal system.

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.

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.

Comparative analysis of CNS populations in knockout mice with altered growth hormone responsiveness

Recently we have shown that growth hormone (GH) inhibits neuronal differentiation and that this process is blocked by suppressor of cytokine signalling-2 (SOCS2). Here we examine several cortical and subcortical neuronal populations in GH hyper-responsive SOCS2 null (-/-) mice and GH non-responsive GH receptor null (GHR-/-) mice. While SOCS2-/- mice showed a 30% decrease in density of NeuN positive neurons in cortex compared to wildtype, GHR-/- mice showed a 25% increase even though brain size was decreased. Interneuron sub-populations were variably affected, with a slight decrease in cortical parvalbumin expressing interneurons in SOCS2-/- mice and an increase in cortical calbindin and calretinin and striatal cholinergic neuron density in GHR-/- mice. Analysis of glial cell numbers in cresyl violet or glial fibrillary acidic protein (GFAP) stained sections of cortex showed that the neuron: glia ratio was increased in GHR-/- mice and decreased in SOCS2-/- mice. The astrocytes in GHR-/- mice appeared smaller, while they were larger in SOCS2-/- mice. Neuronal soma size also varied in the different genotypes, with smaller striatal cholinergic neurons in GHR-/- mice. While the size of layer 5 pyramidal neurons was not significantly different from wildtype, SOCS2-/- neurons were larger than GHR-/- neurons. In addition, primary dendritic length was similar in all genotypes but dendritic branching of pyramidal neurons in the cortex appeared sparser in GHR-/- and SOCS2-/- mice. These results suggest that GH, possibly regulated by SOCS2, has multiple effects on central nervous system (CNS) development and maturation, regulating the number and size of multiple neuronal and glial cell types.

Characterization of neogenin-expressing neural progenitor populations and migrating neuroblasts in the embryonic mouse forebrain

Many studies have demonstrated a role for netrin-1-deleted in colorectal cancer (DCC) interactions in both axon guidance and neuronal migration. Neogenin, a member of the DCC receptor family, has recently been shown to be a chemorepulsive axon guidance receptor for the repulsive guidance molecule (RGM) family of guidance cues [Rajagopalan S, Deitinghoff L, Davis D, Conrad S, Skutella T, Chedotal A, Mueller B, Strittmatter S (2004) Neogenin mediates the action of repulsive guidance molecule. Nat Cell Biol 6:755-762]. Here we show that neogenin is present on neural progenitors, including neurogenic radial glia, in the embryonic mouse forebrain suggesting that neogenin expression is a hallmark of neural progenitor populations. Neogenin-positive progenitors were isolated from embryonic day 14.5 forebrain using flow cytometry and cultured as neurospheres. Neogenin-positive progenitors gave rise to neurospheres displaying a high proliferative and neurogenic potential. In contrast, neogenin-negative forebrain cells did not produce long-term neurosphere cultures and did not possess a significant neurogenic potential. These observations argue strongly for a role for neogenin in neural progenitor biology. In addition, we also observed neogenin on parvalbumin- and calbindin-positive interneuron neuroblasts that were migrating through the medial and lateral ganglionic eminences, suggesting a role for neogenin in tangential migration. Therefore, neogenin may be a multi-functional receptor regulating both progenitor activity and neuroblast migration in the embryonic forebrain. (c) 2006 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

GABAergic excitation in the basolateral amygdala

GABA-containing interneurons are a diverse population of cells whose primary mode of action in the mature nervous system is inhibition of postsynaptic target neurons. Using paired recordings from parvalbumin-positive interneurons in the basolateral amygdala, we show that, in a subpopulation of interneurons, single action potentials in one interneuron evoke in the postsynaptic interneuron a monosynaptic inhibitory synaptic current, followed by a disynaptic excitatory glutamatergic synaptic current. Interneuron-evoked glutamatergic events were blocked by antagonists of either AMPA/kainate or GABA(A) receptors, and could be seen concurrently in both presynaptic and postsynaptic interneurons. These results show that single action potentials in a GABAergic interneuron can drive glutamatergic principal neurons to threshold, resulting in both feedforward and feedback excitation. In interneuron pairs that both receive glutamatergic inputs after an interneuron spike, electrical coupling and bidirectional GABAergic connections occur with a higher probability relative to other interneuron pairs. We propose that this form of GABAergic excitation provides a means for the reliable and specific recruitment of homogeneous interneuron networks in the basal amygdala.

Functional presynaptic HCN channels in the rat globus pallidus

Hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated cation (HCN) channels are expressed postsynaptically in the rodent globus pallidus (GP), where they play several important roles in controlling GP neuronal activity. To further elucidate the role of HCN channels in the GP, immunocytochemical and electrophysiological approaches were used to test the hypothesis that HCN channels are also expressed presynaptically on the local axon collaterals of GP neurons. At the electron microscopic level, immunoperoxidase labelling for HCN1 and HCN2 was localized in GP somata and dendritic processes, myelinated and unmyelinated axons, and axon terminals. One population of labelled terminals formed symmetric synapses with somata and proximal dendrites and were immunoreactive for parvalbumin, consistent with the axon collaterals of GABAergic GP projection neurons. In addition, labelling for HCN2 and, to a lesser degree, HCN1 was observed in axon terminals that formed asymmetric synapses and were immunoreactive for the vesicular glutamate transporter 2. Immunogold labelling demonstrated that HCN1 and HCN2 were located predominantly at extrasynaptic sites along the plasma membrane of both types of terminal. To determine the function of presynaptic HCN channels in the GP, we performed whole-cell recordings from GP neurons in vitro. Bath application of the HCN channel blocker ZD7288 resulted in an increase in the frequency of mIPSCs but had no effect on their amplitude, implying that HCN channels tonically regulate the release of GABA. Their presence, and predicted role in modulating transmitter release, represents a hitherto unidentified mechanism whereby HCN channels influence the activity of GP neurons. © The Authors (2007).

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.

The role of intracellular calcium perturbations in muscle damage and dysfunction in mouse models of muscular dystrophy

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a neuromuscular disease caused by mutations in the dystrophin gene. DMD is clinically characterized by severe, progressive and irreversible loss of muscle function, in which most patients lose the ability to walk by their early teens and die by their early 20’s. Impaired intracellular calcium (Ca2+) regulation and activation of cell degradation pathways have been proposed as key contributors to DMD disease progression. This dissertation research consists of three studies investigating the role of intracellular Ca2+ in skeletal muscle dysfunction in different mouse models of DMD. Study one evaluated the role of Ca2+-activated enzymes (proteases) that activate protein degradation in excitation-contraction (E-C) coupling failure following repeated contractions in mdx and dystrophin-utrophin null (mdx/utr-/-) mice. Single muscle fibers from mdx/utr-/- mice had greater E-C coupling failure following repeated contractions compared to fibers from mdx mice. Moreover, protease inhibition during these contractions was sufficient to attenuate E-C coupling failure in muscle fibers from both mdx and mdx/utr-/- mice. Study two evaluated the effects of overexpressing the Ca2+ buffering protein sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 1 (SERCA1) in skeletal muscles from mdx and mdx/utr-/- mice. Overall, SERCA1 overexpression decreased muscle damage and protected the muscle from contraction-induced injury in mdx and mdx/utr-/- mice. In study three, the cellular mechanisms underlying the beneficial effects of SERCA1 overexpression in mdx and mdx/utr-/- mice were investigated. SERCA1 overexpression attenuated calpain activation in mdx muscle only, while partially attenuating the degradation of the calpain target desmin in mdx/utr-/- mice. Additionally, SERCA1 overexpression decreased the SERCA-inhibitory protein sarcolipin in mdx muscle but did not alter levels of Ca2+ regulatory proteins (parvalbumin and calsequestrin) in either dystrophic model. Lastly, SERCA1 overexpression blunted the increase in endoplasmic reticulum stress markers Grp78/BiP in mdx mice and C/EBP homologous protein (CHOP) in mdx and mdx/utr-/- mice. Overall, findings from the studies presented in this dissertation provide new insight into the role of Ca2+ in muscle dysfunction and damage in different dystrophic mouse models. Further, these findings support the overall strategy for improving intracellular Ca2+ control for the development of novel therapies for DMD.

Laminar and cellular distribution of AMPA, kainate, and NMDA receptor subunits in monkey sensory-motor cortex

In situ hybridization histochemistry and immunocytochemistry were used to examine lamina- and cell-specific expression of glutamate receptor (GluR) mRNAs and polypeptide subunits in motor and somatosensory cortex of macaque monkeys. Radioactive complementary RNA (cRNA) probes were prepared from cDNAs specific for α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxozolepropionate (AMPA)/kainate (GluR1-GluR4), kainate (GluR5-GluR7), and N-methylD-aspartate (NMDA; NR1, NR2A-NR2D) receptor subunits. AMPA/kainate and NR1, NR2A, and NR2B receptor transcripts show higher expression than other transcripts. All transcripts show lamina-specific patterns of distribution. GluR2 and GluR4 mRNAs show higher expression than do GluR1 and GluR3 mRNAs. GluR6 transcript expression is higher than that of GluR5 and GluR7. NR1 mRNA expression is much higher than that of NR2 mRNAs. NR2C subunit expression is very low except for a very distinct band of high expression in layer IV of area 3b. Immunocytochemistry, using subunit-specific antisera and double labeling for calbindin, parvalbumin, or α type II Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKII-α), allowed identification of cell types expressing different subunit genes. GluR1 and GluR5/6/7 immunoreactivity is found in both pyramidal cells and gamma-amino butyric acid (GABA) cells; GluR2/3 immunoreactivity is preferentially found in pyramidal cells, whereas GluR4 immunoreactivity is largely restricted to GABA cells; NMDA receptor subunit immunoreactivity is far greater in excitatory cells than in GABA cells. The density of expression of AMPA/kainate, kainate, and NMDA receptor subunit mRNAs differed within and across the architectonic fields of sensory-motor cortex. This finding and the lamina- and cell-specific patterns of expression suggest assembly of functional receptors from different arrangements of available subunits in specific neuronal populations.