Diurnal inhibition of NMDA-EPSCs at rat hippocampal mossy fibre synapses through orexin-2 receptors.

Diurnal release of the orexin neuropeptides orexin-A (Ox-A, hypocretin-1) and orexin-B (Ox-B, hypocretin-2) stabilises arousal, regulates energy homeostasis and contributes to cognition and learning. However, whether cellular correlates of brain plasticity are regulated through orexins, and whether they do so in a time-of-day-dependent manner, has never been assessed. Immunohistochemically we found sparse but widespread innervation of hippocampal subfields through Ox-A- and Ox-B-containing fibres in young adult rats. The actions of Ox-A were studied on NMDA receptor (NMDAR)-mediated excitatory synaptic transmission in acute hippocampal slices prepared around the trough (Zeitgeber time (ZT) 4-8, corresponding to 4-8 h into the resting phase) and peak (ZT 23) of intracerebroventricular orexin levels. At ZT 4-8, exogenous Ox-A (100 nm in bath) inhibited NMDA receptor-mediated excitatory postsynaptic currents (NMDA-EPSCs) at mossy fibre (MF)-CA3 (to 55.6 ± 6.8% of control, P = 0.0003) and at Schaffer collateral-CA1 synapses (70.8 ± 6.3%, P = 0.013), whereas it remained ineffective at non-MF excitatory synapses in CA3. Ox-A actions were mediated postsynaptically and blocked by the orexin-2 receptor (OX2R) antagonist JNJ10397049 (1 μm), but not by orexin-1 receptor inhibition (SB334867, 1 μm) or by adrenergic and cholinergic antagonists. At ZT 23, inhibitory effects of exogenous Ox-A were absent (97.6 ± 2.9%, P = 0.42), but reinstated (87.2 ± 3.3%, P = 0.002) when endogenous orexin signalling was attenuated for 5 h through i.p. injections of almorexant (100 mg kg(-1)), a dual orexin receptor antagonist. In conclusion, endogenous orexins modulate hippocampal NMDAR function in a time-of-day-dependent manner, suggesting that they may influence cellular plasticity and consequent variations in memory performance across the sleep-wake cycle.

Excitatory synaptic inputs to pyramidal neurons of the lateral amygdala

Whole-cell patch clamp recordings were made from pyramidal neurons in the rat lateral amygdala (LA). Synaptic currents were evoked by stimulating in either the external capsule (ec), internal capsule (ic) or basolateral nucleus (BLA). Stimulation of either the ic, ec or BLA evoked a glutamatergic excitatory synaptic current (EPSC) which was mediated by both non-NMDA and NMDA (N-methyl-D-aspartic acid) receptors, The ratio of the amplitude of the NMDA receptor-mediated component measured at +40 mV to the amplitude of the alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) component measured at -60 mV was similar regardless of whether EPSCs were evoked in the ec, ic or BLA. At resting membrane potentials, excitatory synaptic potentials evoked from either the ec or putative thalamic inputs were unaffected by application of the NMDA receptor antagonist APV. Spontaneous glutamatergic currents had two components to their decay phase. The slow component was selectively blocked by the NMDA receptor antagonist D-APV, indicating that AMPA and NMDA receptors are colocalized in spiny neurons. We conclude that pyramidal cells of the LA receive convergent inputs from the cortex, thalamus and basal nuclei. At all inputs, both AMPA/kainate and NMDA-type receptors are active and colocalized in the postsynaptic density.

Excitatory synaptic transmission in the lateral and central amygdala

The amygdala plays a major role in the acquisition and expression of fear conditioning. NMDA receptor-dependent synaptic plasticity within the basolateral amygdala has been proposed to underlie the acquisition and possible storage of fear memories. Here the properties of fast glutamatergic transmission in the lateral and central nuclei of the amygdala are presented. In the lateral amygdala, two types of neurons, interneurons and projection neurons, could be distinguished by their different firing properties. Glutamatergic inputs to interneurons activated AMPA receptors with inwardly rectifying current-voltage relations (I-Vs), whereas inputs to projection neurons activated receptors that had linear I-Vs, indicating that receptors on interneurons lack GluR2 subunits. Inputs to projection neurons formed dual component synapses with both AMPA and NMDA components, whereas at inputs to interneurons, the contribution of NMDA receptors was very small. Neurons in the central amygdala received dual component glutamatergic inputs that activated AMPA receptors with linear I-Vs. NMDA receptor-mediated EPSCs had slow decay time constants in the central nucleus. Application of NR2B selective blockers ifenprodil or CP-101,606 blocked NMDA EPSCs by 70% in the central nucleus, but only by 30% in the lateral nucleus. These data show that the distribution of glutamatergic receptors on amygdalar neurons is not uniform. In the lateral amygdala, interneurons and pyramidal neurons express AMPA receptors with different subunit compositions. Synapses in the central nucleus activate NMDA receptors that contain NR1 and NR2B subunits, whereas synapses in the lateral nucleus contain receptors with both NR2A and NR2B subunits.

Development and subunit composition of synaptic NMDA receptors in the amygdala: NR2B Synapses in the adult central amygdala

NMDA receptors are well known to play an important role in synaptic development and plasticity. Functional NMDA receptors are heteromultimers thought to contain two NR1 subunits and two or three NR2 subunits. In central neurons, NMDA receptors at immature glutamatergic synapses contain NR2B subunits and are largely replaced by NR2A subunits with development. At mature synapses, NMDA receptors are thought to be multimers that contain either NR1/NR2A or NR1/NR2A/NR2B subunits, whereas receptors that contain only NR1/NR2B subunits are extrasynaptic. Here, we have studied the properties of NMDA receptors at glutamatergic synapses in the lateral and central amygdala. We find that NMDA receptor-mediated synaptic currents in the central amygdala in both immature and mature synapses have slow kinetics and are substantially blocked by the NR2B-selective antagonists (1S, 2S)-1-(4-hydroxyphenyl)-2-(4-hydroxy-4-phenylpiperidino)-1-propano and ifenprodil, indicating that there is no developmental change in subunit composition. In contrast, at synapses on pyramidal neurons in the lateral amygdala, whereas NMDA EPSCs at immature synapses are slow and blocked by NR2B-selective antagonists, at mature synapses their kinetics are faster and markedly less sensitive to NR2B-selective antagonists, consistent with a change from NR2B to NR2A subunits. Using real-time PCR and Western blotting, we show that in adults the ratio of levels of NR2B to NR2A subunits is greater in the central amygdala than in the lateral amygdala. These results show that the subunit composition synaptic NMDA receptors in the lateral and central amygdala undergo distinct developmental changes.

A novel role for MNTB neuron dendrites in regulating action potential amplitude and cell excitability during repetitive firing

Principal cells of the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB) are simple round neurons that receive a large excitatory synapse (the calyx of Held) and many small inhibitory synapses on the soma. Strangely, these neurons also possess one or two short tufted dendrites, whose function is unknown. Here we assess the role of these MNTB cell dendrites using patch-clamp recordings, imaging and immunohistochemistry techniques. Using outside-out patches and immunohistochemistry, we demonstrate the presence of dendritic Na(+) channels. Current-clamp recordings show that tetrodotoxin applied onto dendrites impairs action potential (AP) firing. Using Na(+) imaging, we show that the dendrite may serve to maintain AP amplitudes during high-frequency firing, as Na(+) clearance in dendritic compartments is faster than axonal compartments. Prolonged high-frequency firing can diminish Na(+) gradients in the axon while the dendritic gradient remains closer to resting conditions; therefore, the dendrite can provide additional inward current during prolonged firing. Using electron microscopy, we demonstrate that there are small excitatory synaptic boutons on dendrites. Multi-compartment MNTB cell simulations show that, with an active dendrite, dendritic excitatory postsynaptic currents (EPSCs) elicit delayed APs compared with calyceal EPSCs. Together with high- and low-threshold voltage-gated K(+) currents, we suggest that the function of the MNTB dendrite is to improve high-fidelity firing, and our modelling results indicate that an active dendrite could contribute to a `dual` firing mode for MNTB cells (an instantaneous response to calyceal inputs and a delayed response to non-calyceal dendritic excitatory postsynaptic potentials).

Electrophysiological evidence for the presence of NR2C subunits of N-methyl-D-aspartate receptors in rat neurons of the nucleus tractus solitarius

The nucleus tractus solitarius (NTS) plays an important role in the control of autonomic reflex functions. Glutamate, acting on N-methyl-D-aspartate (NMDA) and non-NMDA ionotropic receptors, is the major neurotransmitter in this nucleus, and the relative contribution of each receptor to signal transmission is unclear. We have examined NMDA excitatory postsynaptic currents (NMDA-EPSCs) in the subpostremal NTS using the whole cell patch clamp technique on a transverse brainstem slice preparation. The NMDA-EPSCs were evoked by stimulation of the solitary tract over a range of membrane potentials. The NMDA-EPSCs, isolated pharmacologically, presented the characteristic outward rectification and were completely blocked by 50 µM DL-2-amino-5-phosphonopentanoic acid. The I-V relationship of the NMDA response shows that current, with a mean (± SEM) amplitude of -41.2 ± 5.5 pA, is present even at a holding potential of -60 mV, suggesting that the NMDA receptors are weakly blocked by extracellular Mg2+ at near resting membrane potentials. This weak block can also be inferred from the value of 0.67 ± 0.17 for parameter delta obtained from a fit of the Woodhull equation to the I-V relationship. The maximal inward current measured on the I-V relationship was at -38.7 ± 4.2 mV. The decay phase of the NMDA currents was fitted with one exponential function with a decay time constant of 239 ± 51 and 418 ± 80 ms at a holding potential of -60 and +50 mV, respectively, which became slower with depolarization (e-fold per 145 mV). The biophysical properties of the NMDA receptors observed in the present study suggest that these receptors in the NTS contain NR2C subunits and may contribute to the synaptic signal integration.

Identification des canaux TRPC impliqués dans la potentialisation à long terme des interneurones de la région CA1 de l'hippocampe chez le rat

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT.

Plasticité synaptique dans l’aire tegmentaire ventrale : implication des endocannabinoïdes

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT.

Neurotensinergic modulation of glutamatergic neurotransmission in VTA neurons.

L’aire tegmentaire ventrale (VTA) contient une forte densité de terminaisons neurotensinergiques ainsi que des récepteurs à la surface des neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques. Le VTA a été impliqué dans des maladies comme la schizophrénie, les psychoses et l’abus de substance. Les drogues d’abus sont connues pour induire le phénomène de sensibilisation - un processus de facilitation par lequel l’exposition à un stimulus produit une réponse augmentée lors de l’exposition subséquente au même stimulus. La sensibilisation se développe dans le VTA et implique mécanismes dopaminergiques et glutamatergiques. Il a été montré que les antagonistes neurotensinergiques bloquaient le développement de la sensibilisation et certains mécanismes de récompense et ces effets pourraient être médiés indirectement par une modulation de la neurotransmission glutamatergique. Cependant, on connaît peu les mécanismes de modulation de la transmission glutamatergique par la neurotensine (NT) dans le VTA. Le but de la présente thèse était d’étudier la modulation neurotensinergique de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques du VTA. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique du patch clamp dans la cellule entière dans des tranches horizontales du VTA pour étudier les effets de différents agonistes et antagonistes neurotensinergiques. Les neurones ont été identifié comme Ih+ (présumés dopaminergiques) ou Ih- (présumés non-dopaminergiques) selon qu’ils exprimaient ou non un courant cationique activé par l’hyperpolarisation (Ih). Des techniques d’immunocytochimie ont été utilisées pour marquer les neurones et vérifier leur localisation dans le VTA. Dans une première étude nous avons trouvé que la neurotensine indigène (NT1-13) ou son fragment C-terminal, NT8-13, induisait une augmentation comparable des courants postsynaptiques excitateurs glutamatergiques (CPSEs) dans les neurones Ih+ ou Ih- du VTA. L'augmentation induite dans les neurones Ih+ par la NT8-13 a été bloquée par le SR48692, un antagoniste des récepteurs NTS1, et par le SR142948A, un antagoniste des récepteurs NTS1 et NTS2, suggérant que l'augmentation était médiée par l’activation des récepteurs NTS1. Dans les neurones Ih- l'augmentation n’a été bloquée que par le SR142948A indiquant une implication des récepteurs NTS2. Dans une deuxième étude, nous avons testé les effets de la D-Tyr[11]NT (un analogue neurotensinergique ayant différentes affinités de liaison pour les sous-types de récepteurs neurotensinergiques) sur les CPSEs glutamatergiques dans les neurones Ih+ et Ih- en parallèle avec une série d’expériences comportementales utilisant un paradigme de préférence de place conditionnée (PPC) menée dans le laboratoire de Pierre-Paul Rompré. Nous avons constaté que la D-Tyr[11]NT induisaient une inhibition dépendante de la dose dans les neurones Ih+ médiée par l'activation de récepteurs NTS2. En revanche, la D-Tyr[11]NT a produit une augmentation des CPSEs glutamatergiques médiée par des récepteurs NTS1 dans les neurones Ih-. Les résultats des expériences comportementales ont montré que des microinjections bilatérales de D-Tyr[11]NT dans le VTA induisait une PPC bloquée uniquement par la co-injection de SR142948A et SR48692, indiquant un rôle pour les deux types de récepteurs, NTS1 et NTS2. Cette étude nous a permis de conclure que i) la D-Tyr[11]NT agit dans le VTA via des récepteurs NTS1 et NTS2 pour induire un effet de récompense et ii) que cet effet est dû, au moins en partie, à une augmentation de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones non-dopaminergiques (Ih-). Dans une troisième étude nous nous sommes intéressés aux effets de la D-Tyr[11]NT sur les réponses isolées médiées par les récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA) et acide α-amino-3- hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique (AMPA) dans les neurones du VTA. Nous avons constaté que dans les neurones Ih+ l’amplitude des CPSEs NMDA et AMPA étaient atténuées de la même manière par la D-Tyr[11] NT. Cette modulation des réponses était médiée par les récepteurs NTS1 et NTS2. Au contraire, dans les neurones Ih-, l’amplitude des réponses NMDA et AMPA étaient augmentées en présence de D-Tyr[11]NT et ces effets dépendaient de l’activation des récepteurs NTS1 localisés sur les terminaisons glutamatergiques. Ces résultats fournissent une preuve supplémentaire que le NT exerce une modulation bidirectionnelle sur la neurotransmission glutamatergique dans les neurones du VTA et met en évidence un nouveau type de modulation peptidergique des neurones non-dopaminergiques qui pourrait être impliqué dans la sensibilisation. En conclusion, la modulation neurotensinergique de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques du VTA se fait en sens opposé soit, respectivement, par une inhibition ou par une excitation. De plus, ces effets sont médiés par différents types de récepteurs neurotensinergiques. En outre, nos études mettent en évidence une modulation peptidergique de la neurotransmission glutamatergique dans le VTA qui pourrait jouer un rôle important dans les mécanismes de lutte contre la toxicomanie.

Chronic Intermittent Hypoxia Depresses Afferent Neurotransmission in NTS Neurons by a Reduction in the Number of Active Synapses

Long-term synaptic plasticity has been recently described in brainstem areas associated to visceral afferent sensory integration. Chronic intermittent hypoxia (CIH), an animal model for studying obstructive sleep apnea in humans, depresses the afferent neurotransmission in nucleus tractus solitarii (NTS) neurons, which affect respiratory and autonomic regulation. Here we identified the synaptic mechanisms of CIH-induced depression of the afferent neurotransmission in NTS neurons in juvenile rats. We verified that CIH reduced the amplitude of both NMDA and non-NMDA glutamatergic excitatory currents (eEPSCs) evoked by tractus solitarii stimulation (TS-eEPSC) of second-order neurons in the NTS. No changes were observed in release probability, evidenced by absence of any CIH-elicited effects on short-term depression and failures in EPSCs evoked in low calcium. CIH also produced no changes in TS-eEPSC quantal size, since the amplitudes of both low calcium-evoked EPSCs and asynchronous TS-eEPSCs (evoked in the presence of Sr2+) were unchanged. Using single TS afferent fiber stimulation in slices from control and CIH rats we clearly show that CIH reduced the quantal content of the TS-eEPSCs without affecting the quantal size or release probability, suggesting a reduction in the number of active synapses as the mechanism of CIH induced TS-eEPSC depression. In accordance with this concept, the input-output relationship of stimulus intensity and TS-eEPSC amplitude shows an early saturation in CIH animals. These findings open new perspectives for a better understanding of the mechanisms underlying the synaptic plasticity in the brainstem sensory neurons under challenges such as those produced by CIH in experimental and pathological conditions.

Cellular mechanisms of burst firing-mediated long-term depression in rat neocortical pyramidal cells

During wakefulness and sleep, neurons in the neocortex emit action potentials tonically or in rhythmic bursts, respectively. However, the role of synchronized discharge patterns is largely unknown. We have recently shown that pairings of excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) and action potential bursts or single spikes lead to long-term depression (burst-LTD) or long-term potentiation, respectively. In this study, we elucidate the cellular mechanisms of burst-LTD and characterize its functional properties. Whole-cell patch-clamp recordings were obtained from layer V pyramidal cells in somatosensory cortex of juvenile rats in vitro and composite EPSPs and EPSCs were evoked extracellularly in layers II/III. Repetitive burst-pairings led to a long-lasting depression of EPSPs and EPSCs that was blocked by inhibitors of metabotropic glutamate group 1 receptors, phospholipase C, protein kinase C (PKC) and calcium release from the endoplasmic reticulum, and that required an intact machinery for endocytosis. Thus, burst-LTD is induced via a Ca2+- and phosphatidylinositol-dependent activation of PKC and expressed through phosphorylation-triggered endocytosis of AMPA receptors. Functionally, burst-LTD is inversely related to EPSP size and bursts dominate single spikes in determining the sign of synaptic plasticity. Thus burst-firing constitutes a signal by which coincident synaptic inputs are proportionally downsized. Overall, our data thus suggest a mechanism by which synaptic weights can be reconfigured during non-rapid eye movement sleep.

Glutamate iontophoresis induces long-term potentiation in the absence of evoked presynaptic activity

$\rm\underline{L}$ong-$\rm\underline{t}$erm $\rm\underline{p}$otentiation (LTP) is a candidate cellular mechanism underlying mammalian learning and memory. Protocols that induce LTP typically involve afferent stimulation. The experiments described in this dissertation tested the hypothesis that LTP induction does not require presynaptic activity. The significance of this hypothesis is underscored by results suggesting that LTP expression may involve activity-dependent presynaptic changes. An induction protocol using glutamate iontophoresis was developed that reliably induces LTP in hippocampal slices without afferent stimulation (ionto-LTP). Ionto-LTP is induced when excitatory postsynaptic potentials are completely blocked with adenosine and $\rm\underline{t}$etrodo$\rm\underline{t}$o$\rm\underline{x}$in (TTX). These results suggest constraints on the involvement of presynaptic mechanisms and putative retrograde messengers in LTP induction and expression; namely, these processes must function without many forms of activity-dependent presynaptic processes.^ In testing the role of pre-and postsynaptic mechanisms in LTP expression whole-cell recordings were used to examine the frequency and amplitude of $\rm\underline{s}$pontaneous $\rm\underline{e}$xcitatory $\rm\underline{p}$o$\rm\underline{s}$ynaptic $\rm\underline{c}$urrents (sEPSCs) in CA1 pyramidal neurons. sEPSCs where comprised of an equal mixture of TTX insensitive miniature EPSCs and sEPSCs that appeared to result from spontaneous action potentials (i.e., TTX sensitive EPSCs). The detection of all sEPSCs was virtually eliminated by CNQX, suggesting that sEPSCs were glutamate mediated synaptic events. Changes in the amplitude and frequency sEPSCs were examined during the expression of ionto-LTP to obtain new information about the cellular location of mechanisms involved in synaptic plasticity. The findings of this dissertation show that ionto-LTP expression results from increased sEPSC amplitude in the absence of lasting increases in sEPSC frequency. Potentiation of sEPSC amplitude without changes in sEPSC frequency has been previously interpreted to be due to postsynaptic mechanisms. Although this interpretation is supported by findings from peripheral synapses, its application to the central nervous system is unclear. Therefore, alternative mechanisms are also considered in this dissertation. Models based on increased release probability for action potential dependent transmitter release appear insufficient to explain our results. The most straightforward interpretation of the results in this dissertation is that LTP induced by glutamate iontophoresis on dendrites of CA1 pyramidal neurons is mediated by postsynaptic mechanisms. ^

Rhythmic synaptic activity induced by mechanical injury of rat CA3 hippocampal area.

Mechanical injury of the CNS frequently results from accidents but also occurs in the course of neurosurgical interventions. A great variety of anatomical and physiological changes have been described to evolve after a brain trauma yet only little is known about processes that occur during a trauma. In the present study, I obtained whole-cell patch clamp recordings from pyramidal cells in hippocampal slice cultures while mechanically lesioning the CA3 area. Electrophysiological analysis revealed that traumatic injury massively increased excitatory and inhibitory synaptic activity in the entire CA3 region. Cutting the CA3 region induced highly rhythmic excitatory postsynaptic currents (EPSCs) that reached frequencies of around 70 Hz. Blocking voltage-dependent sodium channels with tetrodotoxin prevented the increase in synaptic activity and injury-induced neurotransmitter release in CA3 remote from the lesion site. With fast synaptic transmission blocked only neurons in the immediate vicinity of a lesion depolarized and fired action potentials upon mechanical damage. I hence suggest that mechanical injury damages the membrane and induces action potential firing in only a small population of neurons. This activity is then propagated throughout the undamaged CA3 network inducing highly rhythmic discharges. Thus mechanical brain injury initiates immediate functional changes that exceed the lesion site.

Nitric oxide-related species inhibit evoked neurotransmission but enhance spontaneous miniature synaptic currents in central neuronal cultures

Nitric oxide (NO·) does not react significantly with thiol groups under physiological conditions, whereas a variety of endogenous NO donor molecules facilitate rapid transfer to thiol of nitrosonium ion (NO+, with one less electron than NO·). Here, nitrosonium donors are shown to decrease the efficacy of evoked neurotransmission while increasing the frequency of spontaneous miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs). In contrast, pure NO· donors have little effect (displaying at most only a slight increase) on the amplitude of evoked EPSCs and frequency of spontaneous mEPSCs in our preparations. These findings may help explain heretofore paradoxical observations that the NO moiety can either increase, decrease, or have no net effect on synaptic activity in various preparations.

Differences in quantal amplitude reflect GluR4- subunit number at corticothalamic synapses on two populations of thalamic neurons

Low-frequency thalamocortical oscillations that underlie drowsiness and slow-wave sleep depend on rhythmic inhibition of relay cells by neurons in the reticular nucleus (RTN) under the influence of corticothalamic fibers that branch to innervate RTN neurons and relay neurons. To generate oscillations, input to RTN predictably should be stronger so disynaptic inhibition of relay cells overcomes direct corticothalamic excitation. Amplitudes of excitatory postsynaptic conductances (EPSCs) evoked in RTN neurons by minimal stimulation of corticothalamic fibers were 2.4 times larger than in relay neurons, and quantal size of RTN EPSCs was 2.6 times greater. GluR4-receptor subunits labeled at corticothalamic synapses on RTN neurons outnumbered those on relay cells by 3.7 times, providing a basis for differences in synaptic strength.