JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Elektro och morfologisk karakterisering av neurala Microcircuits i akut hjärnan skivor Använda Kopplade Patch-Clamp Inspelningar

Published: January 10, 2015
doi:
10.3791/52358
, ,
1Institute of Neuroscience and Medicine (INM-2),Research Centre Jülich, 2Department of Psychiatry, Psychotherapy and Psychosomatics, Medical Faculty, JARA,RWTH Aachen University

Summary

Patch-clamp recordings and simultaneous intracellular biocytin filling of synaptically coupled neurons in acute brain slices allow a correlated analysis of their structural and functional properties. The aim of this protocol is to describe the essential technical steps of electrophysiological recording from neuronal microcircuits and their subsequent morphological analysis.

Abstract

Kombinationen av patch clamp inspelningar från två (eller flera) synaptically kopplade nervceller (parade inspelningar) i akut hjärn slice beredningar samtidig intracellulär biocytin fyllning möjliggör en korrelerad analys av deras strukturella och funktionella egenskaper. Med denna metod är det möjligt att identifiera och karakterisera både pre- och postsynaptiska neuroner genom sin morfologi och elektrosvarsmönster. Kopplade inspelningar tillåter studera anslutningsmönstren mellan dessa neuroner liksom egenskaperna för både kemisk och elektrisk synaptisk överföring. Här ger vi en steg-för-steg-beskrivning av de förfaranden som krävs för att få tillförlitliga parade inspelningar tillsammans med en optimal återhämtning av neuron morfologi. Vi kommer att beskriva hur par av nervceller anslutna via kemiska synapser eller kanalförbindelser identifieras i hjärnan slice förberedelser. Vi kommer att beskriva hur nervceller rekonstrueras för att få deras 3D morfologi dendritic och axonal domän och hur synaptiska kontakter identifieras och lokaliseras. Vi kommer också att diskutera de förbehåll och begränsningar parade inspelningsteknik, särskilt de som förknippas med dendritiska och axonal stympningar under utarbetandet av hjärnan skivor eftersom dessa påverkar starkt uppskattningar anslutnings. Men på grund av mångsidigheten hos den parade inspelnings strategi kommer det att förbli ett värdefullt verktyg i att karakterisera olika aspekter av synaptisk transmission vid identifierade neuronala mikrokretsar i hjärnan.

Introduction

Neuronala mikrokretsar mellan två synaptically kopplade nervceller är byggstenar i storskaliga nätverk i hjärnan och är grundläggande enheter av synaptiska informationsbehandling. En förutsättning för karakterisering av sådana neuronala mikrokretsar är att veta morfologi och funktionella egenskaper hos både pre- och postsynaptiska partner neuroner, typen av den synaptiska anslutning (er) och dess struktur och funktionsmekanism. Men i många studier av synaptiska förbindelser åtminstone en av de nervceller i en mikrokrets är inte väl karakteriserade. Detta beror på de relativt ospecifika stimuleringsprotokoll som ofta används i studier av synaptiska uppkoppling. Därför är de strukturella och funktionella egenskaperna hos den presynaptiska nervcellen antingen inte identifieras alls eller endast till en ganska liten utsträckning (dvs. uttrycket av markörproteiner osv). Kopplade inspelningar i kombination med intracellulär färgning av markörer sUCH som biocytin, neurobiotin eller fluorescerande färger är bättre lämpade för att studera små neuronala mikrokretsar. Denna teknik medger en för att undersöka många strukturella och funktionella parametrar av en morfologiskt identifierade synaptisk förbindelse samtidigt.

Så kallade "enhetlig" monosynaptic anslutningar mellan två nervceller har undersökts i både kortikala och subkortikala hjärnregioner 1-10 använder akuta slice förberedelser. Inledningsvis var skarpa mikroelektroder användes i dessa försök; senare var patch clamp inspelning användes för att erhålla inspelningar av synaptiska signaler med lägre ljudnivå och en förbättrad tidsupplösning.

En betydande tekniskt framsteg var användningen av infraröd differential interferens kontrast (IR-DIC) optik 11-14, en mikroskopisk teknik som avsevärt förbättrat synligheten och identifiering av nervceller i hjärnan skiva så att det blev möjligt to få inspelningar från visuellt identifierade synapsförbindelser 15-17. I allmänhet är parade inspelningar görs i akuta skiva preparat; endast ett fåtal publikationer är tillgängliga rapporterings inspelningar från synaptically anslutna nervceller in vivo 18-20.

Den viktigaste fördelen med parade inspelningar är det faktum att en funktionell karakterisering kan kombineras med en morfologisk analys vid både ljus- och elektronmikroskopi mikroskopisk nivå (se t ex., 7,16,21). Efter histokemisk bearbetning, är det dendritiska och axonal morfologi synaptiskt anslutna neuron paret spåras. Därefter är det möjligt att kvantifiera morfologiska funktioner såsom längd, rumslig densitet, orientering, förgrening mönster etc. Dessa parametrar kan sedan ge en grund för en objektiv klassificering av en specifik synaptisk anslutning. Dessutom, till skillnad från de flesta andra tekniker som används för att studera neuronala connectivitet, parade inspelningar medger också att identifiera synaptiska kontakter för enhets synapsförbindelser. Detta kan göras direkt med hjälp av en kombination av ljus och elektronmikroskopi 16,21-27 eller använda kalcium avbildning 28,29 av Dendritutskotten. Men med den senare metoden bara retande men inte hämmande anslutningar kan studeras eftersom det kräver kalciuminflödet via postsynaptiska receptorkanaler.

Förutom en detaljerad analys av synaptisk transmission vid en definierad neuronala mikrokrets parade inspelningar också tillåta studiet av synaptisk plasticitet regler 30,31 eller – i kombination med agonist / antagonist ansökan – modulering av synaptisk transmission av signalsubstanser såsom acetylkolin 32 och adenosin 33.

Protocol

Alla experimentella förfaranden har genomförts i enlighet med EU: s direktiv om skydd av djur, den tyska djurskyddslagen (Tierschutzgesetz) och riktlinjerna för Federation of European Laboratory Animal Science Association. 1. Ställ upp för Elektro Innan med parade inspelning, har en elektrofysiologi set-up som ska byggas. En kort sammanfattning om hur en sådan set-up monteras ges nedan: Installera en anti-vibrationsbord som mikroskopet, manipulat…

Representative Results

Kopplade inspelningar är metoden för en fördjupad karaktärisering av morfologiskt identifierade uni- eller dubbelriktade synapsförbindelser samt gap junction (elektriska) anslutningar (Figur 1). Ett exempel på en hopparad inspelning i skiktet 4 av somatosensoriska fat cortex visas i figur 1A. Både enkelriktad retande och hämmande synapsförbindelser kan karakteriseras (Figur 1B, C). Dessutom parade inspelningar tillåter att spela in från dubbelriktade synapsf?…

Discussion

Kopplade inspelningar från synaptically kopplade retande och / eller hämmande nervceller är en mycket mångsidig strategi för studier av neuronala mikrokretsar. Inte bara denna metod tillåter en att uppskatta synaptiska anslutningar mellan neuron typer men också tillåter att bestämma de funktionella egenskaperna hos anslutningen och morfologi pre- och postsynaptiska neuroner. Vidare kan agonist och / eller antagonist lätt appliceras på neuroner i slice preparat. Detta gör att man kan studera effekterna av neu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We would like to thank all members of ‘Function of Neuronal Microcircuits’ Group at Institute of Neuroscience and Medicine, INM-2, Research Centre Jülich and the ‘Function of Cortical Microcircuits’ Group in the Dept. of Psychiatry, Psychotherapy and Psychosomatics, Medical School, JARA, RWTH Aachen University for fruitful discussions. This work was supported by the DFG research group on Barrel Cortex Function (BaCoFun).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Amplifier HEKA EPC 10 USB Triple with 2-3 preamplifiers
Microscope Olympus BX51WI with 2 camera ports and a 4× objective, a 40× water-immersion objective
Camera TILL Photonics VX55 infrared CCD camera
Workstation Luigs & Neumann Infrapatch 240 with a motorized x-y stage and a motorized focus axis for the microscope
Micromanipulator Luigs & Neumann SM-5 x-y-z manipulators for 2-3 preamplifiers
Faraday cage Luigs & Neumann
Anti-vibration table Newport Spectra-Physics
Patchmaster HEKA
Microtome Microm International HM650V
Micropipette puller HEKA Sutter P-97
Neurolucida system Microbrightfield with Neurolucida and Neuroexplorer softwares
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hughes, G. M., Tauc, L. A direct synaptic connexion between the left and right giant cells in Aplysia. J Physiol. 197 (3), 511-527 (1968).
  2. Korn, H., Triller, A., Mallet, A., Faber, D. S. Fluctuating responses at a central synapse: n of binomial fit predicts number of stained presynaptic boutons. Science. 213 (4510), 898-901 (1981).
  3. Miles, R. Synaptic excitation of inhibitory cells by single CA3 hippocampal pyramidal cells of the guinea-pig in vitro. J Physiol. 428 (1), 61-77 (1990).
  4. Malinow, R. Transmission between pairs of hippocampal slice neurons: quantal levels, oscillations and LTP. Science. 252 (5006), 722-724 (1991).
  5. Mason, A., Nicoll, A., Stratford, K. Synaptic transmission between individual pyramidal neurons of the rat visual cortex in vitro. J Neurosci. 11 (1), 72-84 (1991).
  6. Thomson, A. M., West, D. C. Fluctuations in pyramid-pyramid excitatory postsynaptic potentials modified by presynaptic firing pattern and postsynaptic membrane potential using paired intracellular recordings in rat neocortex. Neuroscience. 54 (2), 329-346 (1993).
  7. Buhl, E. H., Halasy, K., Somogyi, P. Diverse sources of hippocampal unitary inhibitory postsynaptic potentials and the number of synaptic release sites. Nature. 368 (6474), 823-828 (1994).
  8. Bolshakov, V. Y., Siegelbaum, S. A. Regulation of hippocampal transmitter release during development and long-term potentiation. Science. 269 (5231), 1730-1734 (1995).
  9. Debanne, D., Guerineau, N. C., Gahwiler, B. H., Thompson, S. M. Physiology and pharmacology of unitary synaptic connections between pairs of cells in areas CA3 and CA1 of rat hippocampal slice cultures. J Neurophysiol. 73 (3), 1282-1294 (1995).
  10. Miles, R., Toth, K., Gulyas, A. I., Hajos, N., Freund, T. F. Differences between somatic and dendritic inhibition in the hippocampus. Neuron. 16 (4), 815-823 (1996).
  11. MacVicar, B. A. Infrared video microscopy to visualize neurons in the in vitro brain slice preparation. J Neurosci Methods. 12 (2), 133-139 (1984).
  12. Dodt, H. U., Zieglgansberger, W. Visualizing unstained neurons in living brain slices by infrared DIC-videomicroscopy. Brain Res. 537 (1-2), 333-336 (1990).
  13. Stuart, G. J., Dodt, H. U., Sakmann, B. Patch-clamp recordings from the soma and dendrites of neurons in brain slices using infrared video microscopy. Pflugers Arch. 423 (5-6), 511-518 (1993).
  14. Debanne, D., et al. Paired-recordings from synaptically coupled cortical and hippocampal neurons in acute and cultured brain slices. Nat Protoc. 3 (10), 1559-1568 (2008).
  15. Gulyas, A. I., et al. Hippocampal pyramidal cells excite inhibitory neurons through a single release site. Nature. 366 (6456), 683-687 (1993).
  16. Silver, R. A., Lubke, J., Sakmann, B., Feldmeyer, D. High-probability uniquantal transmission at excitatory synapses in barrel cortex. Science. 302 (5652), 1981-1984 (2003).
  17. Biro, A. A., Holderith, N. B., Nusser, Z. Quantal size is independent of the release probability at hippocampal excitatory synapses. J Neurosci. 25 (1), 223-232 (2005).
  18. Crochet, S., Chauvette, S., Boucetta, S., Timofeev, I. Modulation of synaptic transmission in neocortex by network activities. Eur J Neurosci. 21 (4), 1030-1044 (2005).
  19. Bruno, R. M., Sakmann, B. Cortex is driven by weak but synchronously active thalamocortical synapses. Science. 312 (5780), 1622-1627 (2006).
  20. Constantinople, C. M., Bruno, R. M. Deep cortical layers are activated directly by thalamus. Science. 340 (6140), 1591-1594 (2013).
  21. Markram, H., Lubke, J., Frotscher, M., Roth, A., Sakmann, B. Physiology and anatomy of synaptic connections between thick tufted pyramidal neurones in the developing rat neocortex. J Physiol. 500 (Pt 2), 409-440 (1997).
  22. Gray, E. G. Axo-somatic and axo-dendritic synapses of the cerebral cortex: an electron microscope study). J Anat. 93 (Pt 4), 420-433 (1959).
  23. Uchizono, K. Characteristics of excitatory and inhibitory synapses in the central nervous system of the cat). Nature. 207 (997), 642-643 (1965).
  24. Tamas, G., Buhl, E. H., Lorincz, A., Somogyi, P. Proximally targeted GABAergic synapses and gap junctions synchronize cortical interneurons. Nat Neurosci. 3 (4), 366-371 (2000).
  25. Feldmeyer, D., Lubke, J., Silver, R. A., Sakmann, B. Synaptic connections between layer 4 spiny neurone-layer 2/3 pyramidal cell pairs in juvenile rat barrel cortex: physiology and anatomy of interlaminar signalling within a cortical column. J Physiol. 538 (Pt 3), 803-822 (2002).
  26. Feldmeyer, D., Lubke, J., Sakmann, B. Efficacy and connectivity of intracolumnar pairs of layer 2/3 pyramidal cells in the barrel cortex of juvenile rats). J Physiol. 575 (Pt 2), 583-602 (2006).
  27. Helmstaedter, M., Staiger, J. F., Sakmann, B., Feldmeyer, D. Efficient recruitment of layer 2/3 interneurons by layer 4 input in single columns of rat somatosensory cortex). J Neurosci. 28 (33), 8273-8284 (2008).
  28. Oertner, T. G., Sabatini, B. L., Nimchinsky, E. A., Svoboda, K. Facilitation at single synapses probed with optical quantal analysis. Nat Neurosci. 5 (7), 657-664 (2002).
  29. Koester, H. J., Johnston, D. Target cell-dependent normalization of transmitter release at neocortical synapses. Science. 308 (5723), 863-866 (2005).
  30. Markram, H., Lubke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275 (5297), 213-215 (1997).
  31. Egger, V., Feldmeyer, D., Sakmann, B. Coincidence detection and changes of synaptic efficacy in spiny stellate neurons in rat barrel cortex. Nat Neurosci. 2 (12), 1098-1105 (1999).
  32. Eggermann, E., Feldmeyer, D. Cholinergic filtering in the recurrent excitatory microcircuit of cortical layer 4. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (28), 11753-11758 (2009).
  33. Feldmeyer, D., van Aerde, K. I., Qi, G. . Society for Neuroscience. , 335.313 (2012).
  34. Radnikow, G., Gunter, R. H., Marx, M., Feldmeyer, D., Fellin, T., Halassa, M. . Neuronal Network Analysis : Concepts and Experimental Approaches. 67, 405-431 (2012).
  35. Feldmeyer, D., Egger, V., Lubke, J., Sakmann, B. Reliable synaptic connections between pairs of excitatory layer 4 neurones within a single ‘barrel’ of developing rat somatosensory cortex. J Physiol. 521 (Pt 1), 169-190 (1999).
  36. Koelbl, C., Helmstaedter, M., Lubke, J., Feldmeyer, D. A Barrel-Related Interneuron in Layer 4 of Rat Somatosensory Cortex with a High Intrabarrel Connectivity). Cereb Cortex. , (2013).
  37. Marx, M., Gunter, R. H., Hucko, W., Radnikow, G., Feldmeyer, D. Improved biocytin labeling and neuronal 3D reconstruction. Nat Protoc. 7 (2), 394-407 (2012).
  38. Biro, A. A., Holderith, N. B., Nusser, Z. Release probability-dependent scaling of the postsynaptic responses at single hippocampal GABAergic synapses. J Neurosci. 26 (48), 12487-12496 (2006).
  39. Huang, C. H., Bao, J., Sakaba, T. Multivesicular release differentiates the reliability of synaptic transmission between the visual cortex and the somatosensory cortex. J Neurosci. 30 (36), 11994-12004 (2010).
  40. Helmstaedter, M., et al. Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature. 500 (7461), 168-174 (2013).
  41. Oberlaender, M., et al. Cell type-specific three-dimensional structure of thalamocortical circuits in a column of rat vibrissal cortex. Cereb Cortex. 22 (10), 2375-2391 (2012).
  42. Dantzker, J. L., Callaway, E. M. Laminar sources of synaptic input to cortical inhibitory interneurons and pyramidal neurons. Nat Neurosci. 3 (7), 701-707 (2000).
  43. Schubert, D., et al. Layer-specific intracolumnar and transcolumnar functional connectivity of layer V pyramidal cells in rat barrel cortex. J Neurosci. 21 (10), 3580-3592 (2001).
  44. Schubert, D., Kotter, R., Zilles, K., Luhmann, H. J., Staiger, J. F. Cell type-specific circuits of cortical layer IV spiny neurons. J Neurosci. 23 (7), 2961-2970 (2003).
  45. Schubert, D., Kotter, R., Luhmann, H. J., Staiger, J. F. Morphology, electrophysiology and functional input connectivity of pyramidal neurons characterizes a genuine layer va in the primary somatosensory cortex. Cereb Cortex. 16 (2), 223-236 (2006).
  46. Yoshimura, Y., Dantzker, J. L., Callaway, E. M. Excitatory cortical neurons form fine-scale functional networks. Nature. 433 (7028), 868-873 (2005).
  47. Yoshimura, Y., Callaway, E. M. Fine-scale specificity of cortical networks depends on inhibitory cell type and connectivity. Nat Neurosci. 8 (11), 1552-1559 (2005).
  48. Shepherd, G. M., Svoboda, K. Laminar and columnar organization of ascending excitatory projections to layer 2/3 pyramidal neurons in rat barrel cortex. J Neurosci. 25 (24), 5670-5679 (2005).
  49. Bureau, I., von Saint Paul, F., Svoboda, K. Interdigitated paralemniscal and lemniscal pathways in the mouse barrel cortex. PLoS Biol. 4 (12), e382 (2006).
  50. Petreanu, L., Huber, D., Sobczyk, A., Svoboda, K. Channelrhodopsin-2-assisted circuit mapping of long-range callosal projections. Nat Neurosci. 10 (5), 663-668 (2007).
  51. Petreanu, L., Mao, T., Sternson, S. M., Svoboda, K. The subcellular organization of neocortical excitatory connections. Nature. 457 (7233), 1142-1145 (2009).
  52. Adesnik, H., Scanziani, M. Lateral competition for cortical space by layer-specific horizontal circuits. Nature. 464 (7292), 1155-1160 (2010).
  53. Molnar, Z., Cheung, A. F. Towards the classification of subpopulations of layer V pyramidal projection neurons. Neurosci Res. 55 (2), 105-115 (2006).
  54. Doyle, J. P., et al. Application of a translational profiling approach for the comparative analysis of CNS cell types. Cell. 135 (4), 749-762 (2008).
  55. Brown, S. P., Hestrin, S. Intracortical circuits of pyramidal neurons reflect their long-range axonal targets. Nature. 457 (7233), 1133-1136 (2009).
  56. Groh, A., et al. Cell-type specific properties of pyramidal neurons in neocortex underlying a layout that is modifiable depending on the cortical area. Cereb Cortex. 20 (4), 826-836 (2010).
  57. Brown, S. P., Hestrin, S. Cell-type identity: a key to unlocking the function of neocortical circuits. Curr Opin Neurobiol. 19 (4), 415-421 (2009).

Tags

Paired Patch-clamp RecordingAcute Brain SliceNeuronal MicrocircuitsSynaptic TransmissionElectrophysiologyMorphologyConnectivityChemical SynapsesGap JunctionsNeuron ReconstructionDendritic TruncationAxonal Truncation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Qi, G., Radnikow, G., Feldmeyer, D. Electrophysiological and Morphological Characterization of Neuronal Microcircuits in Acute Brain Slices Using Paired Patch-Clamp Recordings. J. Vis. Exp. (95), e52358, doi:10.3791/52358 (2015).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image