We developed a gene-chimeric preparation of ventral hippocampal – accumbens circuit in vitro that allows direct live imaging to analyze presynaptic mechanisms of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) mediated synaptic transmission. This preparation also provides an informative approach to study the pre- and post-synaptic mechanisms of synaptic plasticity.
Sustained enhancement of axonal signaling and increased neurotransmitter release by the activation of pre-synaptic nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) is an important mechanism for neuromodulation by acetylcholine (ACh). The difficulty with access to probing the signaling mechanisms within intact axons and at nerve terminals both in vitro and in vivo has limited progress in the study of the pre-synaptic components of synaptic plasticity. Here we introduce a gene-chimeric preparation of ventral hippocampal (vHipp)–accumbens (nAcc) circuit in vitro that allows direct live imaging to analyze both the pre- and post-synaptic components of transmission while selectively varying the genetic profile of the pre- vs post-synaptic neurons. We demonstrate that projections from vHipp microslices, as pre-synaptic axonal input, form multiple, reliable glutamatergic synapses with post-synaptic targets, the dispersed neurons from nAcc. The pre-synaptic localization of various subtypes of nAChRs are detected and the pre-synaptic nicotinic signaling mediated synaptic transmission are monitored by concurrent electrophysiological recording and live cell imaging. This preparation also provides an informative approach to study the pre- and post-synaptic mechanisms of glutamatergic synaptic plasticity in vitro.
Modulation cholinergique du circuit excitabilité contribue à des aspects fondamentaux de la cognition, et la modulation cholinergique modifié est une caractéristique de neurodégénératives et neuropsychiatriques troubles y compris la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie 1-4. Un mécanisme établi de la facilitation de la transmission synaptique cholinergique dans le SNC est via l'activation directe de nAChRs localisées sur des sites pré-synaptiques. L'activation de ces récepteurs pré-synaptiques entraîne une augmentation de Ca 2+ intracellulaire ([Ca2 +] i) dans les terminaux présynaptiques – à la fois directement, en raison de la conductance de calcium relativement élevé de certains sous-types de nAChR, et indirectement, par l'intermédiaire de cascades de signalisation intracellulaires 5, améliorant ainsi la libération de neurotransmetteurs. En effet, l'activation des nAChR pré-synaptiques a été liée à des changements dans la libération d'une grande variété de neurotransmetteurs, y compris le glutamate, GABA, acétylcholine, une dopamine 6-10. Bien que ce processus a été étudié indirectement en utilisant des méthodes électrophysiologiques à divers synapses, les journalistes optiques de [Ca 2+] i et vésicule synaptique recyclage permettent de mesurer plus directe et temporellement précise des phénomènes pré-synaptiques.
Localisation pré-synaptique de nAChR a été démontré de façon convaincante direct étiquetage immuno-or de nAChRs au microscope électronique (EM) de niveau 11,12. Plusieurs autres techniques ont également été utilisés pour traiter la localisation nAChR indirectement, y compris la détection de l'emplacement des chimères protéiques fluorescents de nAChR dans des neurones en culture 13,14, enregistrement électrophysiologique des courants nAChR dans les terminaux synaptiques 15,16, la surveillance des changements induits par la nicotine en [Ca 2+] i dans les terminaisons nerveuses synaptiques par imagerie de cellules vivantes 17, et la surveillance indirecte de la libération des neurotransmetteurs à la terminaison synaptique partechniques d'imagerie cellulaire en direct avec des indicateurs fluorescents, y compris l'exocytose des vésicules synaptiques vus par les colorants de styryle amphipathiques FM (FM1-43 et FM4-64) et / ou synapto-pHluorin et par des journalistes de neurotransmetteurs fluorescentes spécifiques, tels que CNiFERs pour ACh et iGluSnFr pour le glutamate 18-20. Globalement, ces approches actuelles pour identifier la localisation pré-synaptique de nAChRs sont complexes, et nécessitent des systèmes et des techniques spéciales pour permettre une identification fiable et surveillance physiologique de l'activité pré-synaptique.
Nous décrivons ici les protocoles et l'équipement pour un système de co-culture in vitro d'un hippocampe ventral (vHipp) – noyau accumbens (NACC) circuit qui offre un accès direct à identifier et analyser les deux composants pré et post-synaptiques de la transmission synaptique. Nous montrons des exemples de localisation pré-synaptique de nAChRs et l'imagerie des cellules vivantes de nAChR médiation Ca 2+ signalisation et de la libération de neurotransmetteurs aloaxones ng vHipp. Une extension naturelle (et simple) du protocole présenté ici est la préparation des contacts pré- et post-synaptiques constitués de neurones à partir de différents génotypes. De cette manière, la contribution d'un produit de gène particulier de la pré- et / ou post-synaptiques des mécanismes de modulation peut être évaluée directement.
La préparation de co-culture décrit re-capitule circuits de l'hippocampe-accumbens ventrales in vitro. Cet examen permet de préparation relativement simple et fiable des profils spatiaux et temporels qui activation des nAChR pré-synaptiques susciter améliorée transmission glutamatergique 5, 21.
Co-cultures sont définis comme la croissance de différents types de cellules spécifiques dans un plat qui peut fournir des conditions physiologiques in vitro …
The authors have nothing to disclose.
We thank Yehui Qin and Mallory Myers for technical support. We also thank Dr. Sigismund Huck for providing us the anti-α4-ECD antibody. This work is supported by National Institutes of Health grant NS22061 to L. W. R.
1, Culture Media (50 ml) | |||
Neurobasal | GIBCO | 10888022 | 48 ml |
B-27 Supplements | GIBCO | 0080085-SA | 1 ml |
Penicillin-Streptomycin | GIBCO | 10908-010 | 0.5 ml |
GlutaMAX Supplement | GIBCO | 35050-061 | 0.5 ml |
Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) | GIBCO | 15140-122 | 20 ng/ml |
2, washing media (HBSS, 100 ml) | |||
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | GIBCO | 14175-095 | 99 ml |
HEPES ( 1M) | GIBCO | 15630-130 | 1 ml |
3, HEPES buffered saline (HBS) pH=7.3 | |||
NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
CaCl2, | Sigma | C1016 | 2 mM |
HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
4, HBS Cocktail for live imaging pH=7.3 | |||
NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
CaCl2, | Sigma | C1016 | 2 mM |
HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
tetrodotoxin | Tocris | 1078 | 2 µM |
bicuculline | Tocris | 131 | 10 µM |
D-AP-5 | Tocris | 105 | 50 µM |
CNQX | Tocris | 1045 | 20 µM |
LY341495 | Tocris | 1209 | 10 µM |
5, Calcium-free HBS pH=7.3 | |||
NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
6, 56 mM Potassium ACSF pH=7.4 | |||
NaCl | Sigma | S9888 | 119 mM |
KCl | Sigma | P9333 | 56 mM |
MgSO4.7H | Sigma | M1880 | 1.3 mM |
CaCl2 | Sigma | C1016 | 2.5 mM |
NaH2PO4 | Sigma | S8282 | 1 mM |
NaHCO3 | Sigma | S5761 | 26.2 mM |
Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |