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Implementing Dynamic Clamp with Synaptic and Artificial Conductances in Mouse Retinal Ganglion Cells

Ganglion cells are the output neurons of the  retina and their activity reflects the integration of multiple synaptic inputs  arising from specific neural ...

University of Sydney 

AII amacrine cells play a critical role in the high-fidelity signal transmission pathways involved with nighttime vision. The temporal properties of the light responses strongly depend on the transfer function at different synaptic stages and consequently on presynaptic calcium influx. AII light responses are complex waveforms generated by graded input, they comprise Na+-based spikes as well as a sustained component, and they are transferred to graded cone bipolar cells. It is, therefore, of interest to determine the properties of AII voltage-dependent calcium channels (VDCCs) to establish whether these cells express N-type and/or P/Q-type VDCCs, characteristic of spiking neurons, or whether they are more like graded neurons, which mostly use L-type VDCCs. We combined electrophysiological, molecular biological, and imaging techniques to characterize calcium currents and their sites of origin in mouse AII amacrine cells. Calcium currents activated at potentials more positive than -60 mV (maximally between -50 and -20 mV) and inactivated slowly. These currents were blocked by dihydropyridine (DHP) antagonists and were enhanced by the DHP agonist BayK 8644. Single-cell RT-PCR analysis of mRNA encoding for different calcium channel alpha subunits in AIIs revealed a consistent expression of the alpha1-D subunit. Calcium imaging of AII cells showed that the greatest change in intracellular calcium occurred in the lobular appendages, with minor changes being observed in the arboreal dendrites. Depolarization-induced calcium rises were also modulated by DHPs, suggesting that a particular kind of L-type VDCC, mainly localized to the lobular appendages, enables these spiking-capable neurons to release neurotransmitter in a sustained manner onto OFF-cone bipolar cells.

AII amacrine cells express L-type calcium channels at their output synapses.

Les cellules amacrines AII jouent un r&ocirc;le essentiel dans les voies de transmission de signal haute fid&eacute;lit&eacute; impliqu&eacute;es avec vision nocturne. Les propri&eacute;t&eacute;s temporelles des r&eacute;ponses lumi&egrave;re d&eacute;pendent fortement de la fonction de transfert &agrave; des stades diff&eacute;rents de synaptiques et par cons&eacute;quent sur l&#39;influx calcique pr&eacute;synaptique. AII r&eacute;ponses lumineuses sont des formes d&#39;ondes complexes g&eacute;n&eacute;r&eacute;s par entr&eacute;e gradu&eacute;e, ils comprennent Na +-bas&eacute; de pointes, mais aussi une composante soutenue, et elles sont transf&eacute;r&eacute;es dans les cellules bipolaires de c&ocirc;nes gradu&eacute;es. Il est donc int&eacute;ressant pour d&eacute;terminer les propri&eacute;t&eacute;s des canaux calciques voltage-d&eacute;pendants AII (VDCCs) pour &eacute;tablir si ces cellules expriment N-type et/ou type P/Q VDCCs, caract&eacute;ristique de la fortification des neurones, ou qu&#39;ils soient plus aime classement les neurones, qui utilise surtout des VDCCs de type L. Nous avons combin&eacute; des techniques biologiques et d&#39;imagerie &eacute;lectrophysiologiques, mol&eacute;culaires, afin de caract&eacute;riser les courants calcium et leurs sites d&#39;origine dans les cellules amacrines AII souris. Courants de calcium activ&eacute;s &agrave; des potentiels plus positifs que -60 mV (au maximum entre-50 et -20 mV) et inactiv&eacute; lentement. Ces courants ont &eacute;t&eacute; bloqu&eacute;s par des antagonistes de la dihydropyridine (DHP) et ont &eacute;t&eacute; am&eacute;lior&eacute;es par l&#39;agoniste DHP BayK 8644. Single-cell RT-PCR analyse d&#39;ARNm codant pour les sous-unit&eacute;s alpha de calcium diff&eacute;rents canaux en AIIs a r&eacute;v&eacute;l&eacute; une expression coh&eacute;rente de la sous-unit&eacute; alpha1-D. Imagerie calcique des cellules de l&#39;AII a montr&eacute; que le plus grand changement en calcium intracellulaire dans les appendices lobulaires, avec de l&eacute;gers changements observ&eacute;s dans les dendrites arboricoles. Calcique induite par une d&eacute;polarisation s&#39;&eacute;l&egrave;ve &eacute;tait &eacute;galement modul&eacute; par DHPs, sugg&eacute;rant qu&#39;un type particulier de type L VDCC, principalement localis&eacute;e dans les appendices lobulaires, permet &agrave; ces neurones de fortification-capables de lib&eacute;rer des neurotransmetteurs de mani&egrave;re durable sur les cellules bipolaires OFF-c&ocirc;ne.

Les cellules amacrines AII expriment des canaux calciques de type L &agrave; leurs sortie de synapses.

Cellule amacrine AII giocano un ruolo fondamentale nelle vie di trasmissione ad alta fedelt&agrave; di segnale coinvolte con visione notturna. Le propriet&agrave; temporali delle risposte luce fortemente dipendono la funzione di trasferimento nelle diverse fasi sinaptiche e di conseguenza sull&#39;afflusso di calcio presinaptico. AII luce risposte sono forme d&#39;onda complesse generate dall&#39;ingresso graduata, essi comprendono Na +-base di picchi, nonch&eacute; un componente sostenuta, e sono trasferiti alle cellule bipolari cono graduato. &Egrave;, pertanto, di interesse per determinare le propriet&agrave; dei canali del calcio voltaggio-dipendenti di AII (VDCCs) per stabilire se queste cellule esprimono tipo N o tipo P/Q VDCCs, caratteristica di chiodare i neuroni, o se sono pi&ugrave; come classificato i neuroni, che uso soprattutto L-tipo VDCCs. Abbiamo combinato elettrofisiologiche, molecolare tecniche biologiche e imaging per caratterizzare le correnti di calcio e i loro luoghi di origine nelle cellule di amacrine AII del mouse. Le correnti di calcio attivate a potenziali pi&ugrave; positivi rispetto a -60 mV (al massimo tra-50 e -20 mV) e lentamente inattivato. Queste correnti sono state bloccate dagli antagonisti diidropiridinico (DHP) e sono state rafforzate da agonista DHP BayK 8644. Analisi di RT-PCR a cella singola di mRNA che codifica per diversi calcio canale alfa subunit&agrave; in AII ha rivelato un&#39;espressione coerenza della subunit&agrave; alfa1-D. Imaging del calcio delle cellule AII ha mostrato che il pi&ugrave; grande cambiamento nel calcio intracellulare si &egrave; verificato nelle appendici lobulare, con piccoli cambiamenti osservati nei dendriti arboricoli. Calcio indotta depolarizzazione aumenti erano anche modulati da DHP, suggerendo che un particolare tipo di tipo L VDCC, localizzata principalmente per le appendici lobulare, consente a questi neuroni chiodare in grado di rilasciare neurotrasmettitori in maniera sostenuta su cellule bipolari OFF-cono.

Cellule amacrine AII express canali calcio tipo L a loro sinapsi di uscita.

Dans l&#39;obscurit&eacute;, les signaux lumineux sont classiquement passe par le circuit suivant : tiges font synapse sur cellules bipolaires tige (RB), qui &agrave; son tour communiquer avec les cellules amacrines AII. Cellules AII s&eacute;parer le signal lumineux dans le marche et d&#39;arr&ecirc;t des voies en faisant &eacute;lectrique synapses avec cellules (CB) bipolaires de c&ocirc;nes et de synapses chimiques inhibitrices glycinergic avec les cellules de CB. Ces cellules bipolaires font synapse sur leurs cellules ganglionnaires respectifs, qui transf&egrave;rent sur et en dehors des signaux vers les centres visuels du cerveau. Deux voies alternatives ont r&eacute;cemment &eacute;t&eacute; postul&eacute;s pour la transmission des signaux dans des conditions scotopiques: 1) &eacute;lectrique de couplage entre les b&acirc;tonnets et les c&ocirc;nes et les 2) un circuit ind&eacute;pendant des c&ocirc;nes photor&eacute;cepteurs, ce qui implique des contacts directs entre les tiges et les cellules de CB. Preuve anatomique &eacute;taye l&#39;existence de ces deux circuits. Afin d&#39;&eacute;tudier la contribution de ces voies alternatives &agrave; la vision scotopique de la r&eacute;tine chez les mammif&egrave;res, nous avons effectu&eacute; des enregistrements de patch-clamp de cellules ganglionnaires de la r&eacute;tine adapt&eacute; &agrave; l&#39;obscurit&eacute; de la lapin, souris et rat. Environ la moiti&eacute; des cellules ganglionnaires de la r&eacute;tine de lapin re&ccedil;ue en signaux gr&acirc;ce &agrave; un circuit ind&eacute;pendant de cellules de RB. Cela a &eacute;t&eacute; montr&eacute; par leur persistance en pr&eacute;sence de l&#39;acide 2-amino-4-phosphonobutyrique d&#39;agoniste glutamate (APB), qui bloque la tige--&gt; RB la signalisation cellulaire. Compatible avec ce r&eacute;sultat, la strychnine, un antagoniste du r&eacute;cepteur glycine, n&#39;a pas pu abolir ces r&eacute;ponses off. En outre, nous avons pu montrer que certains hors dendrites bipolaires de c&ocirc;nes r&eacute;silier &agrave; sph&eacute;rules de tige et &eacute;tablir des contacts potentiels. Dans la r&eacute;tine de souris, cependant, il semble qu&#39;une proportion tr&egrave;s faible de large de signaux transmis par une voie APB-r&eacute;sistant. Aucune cellule de ganglion dans la r&eacute;tine de rat ont montr&eacute; des r&eacute;ponses r&eacute;sistantes APB et la strychnine. Nos donn&eacute;es appuient la signalisation par le biais de contacts plats entre les tiges et les cellules de CB comme la voie alternative, mais sugg&egrave;rent que l&#39;importance de cette voie diff&egrave;re entre les esp&egrave;ces.

Signalisation lumineuse dans des conditions scotopiques dans la r&eacute;tine de rat, la souris et le lapin : une &eacute;tude physiologique et anatomique.

In the dark, light signals are conventionally routed through the following circuit: rods synapse onto rod bipolar (RB) cells, which in turn contact AII amacrine cells. AII cells segregate the light signal into the on and off pathways by making electrical synapses with on cone bipolar (CB) cells and glycinergic inhibitory chemical synapses with off CB cells. These bipolar cells synapse onto their respective ganglion cells, which transfer on and off signals to the visual centers of the brain. Two alternative pathways have recently been postulated for the signal transfer in scotopic conditions: 1) electrical coupling between rods and cones, and 2) a circuit independent of cone photoreceptors, implying direct contacts between rods and off CB cells. Anatomical evidence supports the existence of both these circuits. To investigate the contribution of these alternative pathways to scotopic vision in the mammalian retina, we have performed patch-clamp recordings from ganglion cells in the dark-adapted retina of the rabbit, mouse, and rat. Approximately one-half of the ganglion cells in the rabbit retina received off signals through a circuit that was independent of RB cells. This was shown by their persistence in the presence of the glutamate agonist 2-amino-4-phosphonobutyric acid (APB), which blocks rod-->RB cell signaling. Consistent with this result, strychnine, a glycine receptor antagonist, was unable to abolish these off responses. In addition, we were able to show that some off cone bipolar dendrites terminate at rod spherules and make potential contacts. In the mouse retina, however, there seems to be a very low proportion of off signals carried by an APB-resistant pathway. No ganglion cells in the rat retina displayed APB- and strychnine-resistant responses. Our data support signaling through flat contacts between rods and off CB cells as the alternative route, but suggest that the significance of this pathway differs between species.

Light signaling in scotopic conditions in the rabbit, mouse and rat retina: a physiological and anatomical study.

Nel buio, segnali luminosi convenzionalmente vengono instradati attraverso il circuito seguente: canne sinapsi sulle cellule bipolari rod (RB), che a sua volta contattare cellule amacrine AII. Le cellule AII separare il segnale luminoso in su e fuori percorsi facendo elettrica sinapsi con cellule bipolari cono (CB) e glycinergic inibitorio sinapsi chimiche con fuori le cellule CB. Queste cellule bipolari sinapsi sul loro cellule gangliari rispettivi, che trasferiscono e disattivare segnali ai centri visivi del cervello. Due percorsi alternativi hanno recentemente state postulate per il trasferimento del segnale in condizioni scotopica: 1) elettrico di accoppiamento tra coni retinici e coni e 2) un circuito indipendente di fotorecettori cono, che implica un contatto diretto tra canne e fuori le cellule CB. L&#39;evidenza anatomica sostiene l&#39;esistenza di entrambi questi circuiti. Per indagare il contributo di questi percorsi alternativi alla visione scotopica nella retina dei mammiferi, abbiamo eseguito registrazioni di patch-clamp da cellule gangliari della retina dark-adapted del coniglio, topo e ratto. Circa met&agrave; delle cellule gangliari della retina di coniglio ricevuto off segnali attraverso un circuito che &egrave; stato indipendente delle cellule di RB. Questo &egrave; stato mostrato da loro persistenza in presenza dell&#39;acido per la 2-ammino-4-phosphonobutyric agonista di glutammato (APB), che blocca asta--&gt; RB segnalazione cellulare. Coerenti con questo risultato, stricnina, un antagonista del recettore di glicina, fu in grado di abolire queste risposte fuori. Inoltre, siamo stati in grado di dimostrare che alcuni off bipolare dendriti cono terminare in sferule di asta e fare contatti potenziali. Nella retina del mouse, tuttavia, ci sembra essere una percentuale molto bassa di off segnali trasportati da un percorso di APB-resistente. No cellule gangliari della retina di ratto visualizzato APB stricnina-resistente e risposte. I nostri dati supportano la segnalazione attraverso contatti piatte tra canne e fuori le cellule CB come l&#39;itinerario alternativo, ma suggeriscono che il significato di questo percorso si differenzia tra le specie.

Luce di segnalazione in condizioni scotopica della retina di coniglio, topo e ratto: uno studio anatomico e fisiologico.

The mammalian retina contains approximately 30 different morphological types of amacrine cells, receiving glutamatergic input from bipolar cells. In this study, we combined electrophysiological and pharmacological techniques in order to study the glutamate receptors expressed by different types of amacrine cells. Whole-cell currents were recorded from amacrine cells in vertical slices of the mouse retina. During the recordings the cells were filled with Lucifer Yellow/Neurobiotin allowing classification as wide-field or narrow-field amacrine cells. Amacrine cell recordings were also carried out in a transgenic mouse line whose glycinergic amacrine cells express enhanced green fluorescent protein (EGFP). Agonist-induced currents were elicited by exogenous application of NMDA, AMPA, and kainate (KA) while holding cells at -75 mV. Using a variety of specific agonists and antagonists (NBQX, AP5, cyclothiazide, GYKI 52466, GYKI 53655, SYM 2081) responses mediated by AMPA, KA, and NMDA receptors could be dissected. All cells (n = 300) showed prominent responses to non-NMDA agonists. Some cells expressed AMPA receptors exclusively and some cells expressed KA receptors exclusively. In the majority of cells both receptor types could be identified. NMDA receptors were observed in about 75% of the wide-field amacrine cells and in less than half of the narrow-field amacrine cells. Our results confirm that different amacrine cell types express distinct sets of ionotropic glutamate receptors, which may be critical in conferring their unique temporal responses to this diverse neuronal class.

Ionotropic glutamate receptors of amacrine cells of the mouse retina.

La r&eacute;tine mammif&egrave;re contient environ 30 diff&eacute;rents types morphologiques des cellules amacrines, r&eacute;cepteur glutamatergique entr&eacute;e de cellules bipolaires. Dans cette &eacute;tude, nous avons combin&eacute; des techniques &eacute;lectrophysiologiques et pharmacologiques afin d&#39;&eacute;tudier les r&eacute;cepteurs de glutamate exprim&eacute;es par diff&eacute;rents types de cellules amacrines. A enregistr&eacute; les courants de la cellule enti&egrave;re de cellules amacrines en tranches verticales de la r&eacute;tine de souris. Durant les enregistrements, les cellules ont &eacute;t&eacute; remplies avec Lucifer jaune/Neurobiotin permettant le classement des cellules amacrines comme le grand champ ou le champ &eacute;troit. Enregistrements de cellules amacrines ont &eacute;galement eu lieu dans une lign&eacute;e de souris transg&eacute;niques dont les cellules amacrines glycinergic expriment la prot&eacute;ine fluorescente verte am&eacute;lior&eacute;e (EGFP). Induite par l&#39;agoniste courants ont &eacute;t&eacute; provoqu&eacute;es par l&#39;application exog&egrave;ne de NMDA, AMPA et ka&iuml;nate (KA) tout en maintenant les cellules &agrave; -75 mV. En utilisant une vari&eacute;t&eacute; de sp&eacute;cifiques agonistes et antagonistes (NBQX, AP5, cyclothiazide, GYKI 52466, GYKI 53655, SYM 2081) r&eacute;ponses m&eacute;di&eacute;es par les r&eacute;cepteurs AMPA et NMDA KA pourraient &ecirc;tre diss&eacute;qu&eacute;s. Toutes les cellules (n = 300) ont montr&eacute; des r&eacute;ponses aux agonistes non-NMDA. Certaines cellules expriment des r&eacute;cepteurs AMPA exclusivement et certaines cellules expriment des r&eacute;cepteurs KA exclusivement. Dans la plupart des cellules, les deux types de r&eacute;cepteurs pourraient &ecirc;tre identifi&eacute;s. Les r&eacute;cepteurs NMDA ont &eacute;t&eacute; observ&eacute;s chez environ 75 % des cellules amacrines grand champ et en moins de la moiti&eacute; des cellules amacrines de champ &eacute;troit. Nos r&eacute;sultats confirment que les amacrines diff&eacute;rents types de cellules expriment des ensembles distincts des r&eacute;cepteurs ionotropiques du glutamate, qui peut &ecirc;tre critique dans l&#39;attribution de leurs r&eacute;ponses temporelles uniques &agrave; cette classe neuronale diverse.

R&eacute;cepteurs ionotropiques glutamate de cellules amacrines de la r&eacute;tine de souris.

La retina dei mammiferi contiene circa 30 differenti tipi morfologici delle cellule amacrine, ricezione dell&#39;input glutamatergico da cellule bipolari. In questo studio, abbiamo combinato tecniche elettrofisiologiche e farmacologiche al fine di studiare i recettori del glutammato espressi dai diversi tipi di cellule amacrine. Cellule intere correnti sono state registrate dalle cellule amacrine in fette verticali della retina del mouse. Durante le registrazioni, le cellule sono state riempite con Lucifero giallo/Neurobiotin che permette la classificazione come wide-field o campo stretto cellule amacrine. Registrazioni delle cellule Amacrine sono stati effettuati anche in una linea di mouse transgenici cui cellule amacrine glycinergic esprimono la proteina fluorescente verde migliorata (EGFP). Agonista-indotta correnti erano provocate dall&#39;applicazione esogena di NMDA, AMPA e Kainato (KA) tenendo le cellule a -75 mV. Utilizzando una variet&agrave; di specifiche agonisti e antagonisti (NBQX, AP5, cyclothiazide, GYKI 52466, GYKI 53655, SYM 2081) risposte mediate dai recettori AMPA, NMDA e KA potrebbero essere sezionate. Tutte le cellule (n = 300) ha mostrato risposte prominente a agonisti non-NMDA. Alcune cellule espresse i recettori AMPA esclusivamente e alcune cellule recettori KA esclusivamente. Nella maggior parte delle cellule entrambi i tipi di recettore potrebbero essere identificati. I recettori NMDA sono stati osservati in circa il 75% delle cellule amacrine wide-field e a meno di met&agrave; delle cellule amacrine stretto-campo. I nostri risultati confermano che amacrine diversi tipi di cellule esprimono insiemi distinti di ionotropici i recettori del glutammato, che pu&ograve; essere fondamentale nel conferire loro risposte temporale univoca a questa classe di neurone diversa.

Ionotropici glutammato recettori delle cellule amacrine della retina del mouse.

Early sensory experience shapes the functional and anatomical connectivity of neuronal networks. Light deprivation alters synaptic transmission and modifies light response properties in the visual system, from retinal circuits to higher visual centers. These effects are more pronounced during a critical period in juvenile life and are mostly reversed by restoring normal light conditions. Here we show that complete light deprivation, from birth to periods beyond the critical period, permanently modifies the receptive field properties of retinal ganglion cells. Visual deprivation reduced both the strength of light responses in ganglion cells and their receptive field size. Light deprivation produced an imbalance in the ratio of inhibitory to excitatory inputs, with a shift toward larger inhibitory conductances. Ganglion cell receptive fields in visually deprived animals showed a spatial mismatch of inhibitory and excitatory inputs and inhibitory inputs were highly scattered over the receptive field. These results indicate that visual experience early in life is critical for the refinement of retinal circuits and for appropriate signaling of the spatiotemporal properties of visual stimuli, thus influencing the response properties of neurons in higher visual centers and their processing of visual information.

Permanent functional reorganization of retinal circuits induced by early long-term visual deprivation.

&#x65E9;&#x671F;&#x7684;&#x611F;&#x5B98;&#x4F53;&#x9A8C;&#x5F62;&#x72B6;&#x795E;&#x7ECF;&#x5143;&#x7F51;&#x7EDC;&#x8FDE;&#x63A5;&#x529F;&#x80FD;&#x548C;&#x89E3;&#x5256;&#x7684;&#x6027;&#x3002;&#x8F7B;&#x578B;&#x5265;&#x593A;&#x6539;&#x53D8;&#x7A81;&#x89E6;&#x4F20;&#x9012;&#x548C;&#x5149;&#x54CD;&#x5E94;&#x5C5E;&#x6027;&#x4FEE;&#x6539;&#x5728;&#x89C6;&#x89C9;&#x7CFB;&#x7EDF;&#x4E2D;&#xFF0C;&#x4ECE;&#x89C6;&#x7F51;&#x819C;&#x7535;&#x8DEF;&#x5230;&#x66F4;&#x9AD8;&#x7684;&#x89C6;&#x89C9;&#x4E2D;&#x5FC3;&#x3002;&#x8FD9;&#x4E9B;&#x5F71;&#x54CD;&#x8F83;&#x4E3A;&#x7A81;&#x51FA;&#x5173;&#x952E;&#x65F6;&#x671F;&#x7684;&#x5C11;&#x5E74;&#x751F;&#x6D3B;&#xFF0C;&#x5927;&#x591A;&#x901A;&#x8FC7;&#x6062;&#x590D;&#x6B63;&#x5E38;&#x5149;&#x7167;&#x6761;&#x4EF6;&#x626D;&#x8F6C;&#x3002;&#x5728;&#x8FD9;&#x91CC;&#x6211;&#x4EEC;&#x663E;&#x793A;&#x5B8C;&#x6574;&#x7684;&#x8F7B;&#x6B66;&#x5668;&#x532E;&#x4E4F;&#xFF0C;&#x4ECE;&#x51FA;&#x751F;&#x5230;&#x8D85;&#x51FA;&#x4E34;&#x754C;&#x671F;&#xFF0C;&#x671F;&#x95F4;&#x6C38;&#x4E45;&#x4FEE;&#x6539;&#x7684;&#x89C6;&#x7F51;&#x819C;&#x795E;&#x7ECF;&#x8282;&#x7EC6;&#x80DE;&#x63A5;&#x53D7;&#x5B57;&#x6BB5;&#x5C5E;&#x6027;&#x3002;&#x89C6;&#x89C9;&#x5265;&#x593A;&#x964D;&#x4F4E;&#x5F3A;&#x5EA6;&#x7684;&#x5149;&#x54CD;&#x5E94;&#x795E;&#x7ECF;&#x8282;&#x7EC6;&#x80DE;&#x548C;&#x5176;&#x63A5;&#x53D7;&#x5B57;&#x6BB5;&#x7684;&#x5927;&#x5C0F;&#x3002;&#x8F7B;&#x578B;&#x5265;&#x593A;&#x4EA7;&#x751F;&#x7684;&#x6291;&#x5236;&#x5174;&#x594B;&#x6027;&#x7684;&#x6295;&#x5165;&#xFF0C;&#x4E0E;&#x8F83;&#x5927;&#x7684;&#x6291;&#x5236; conductances &#x8F6C;&#x5411;&#x6BD4;&#x4F8B;&#x5931;&#x8861;&#x3002;&#x795E;&#x7ECF;&#x8282;&#x7EC6;&#x80DE;&#x63A5;&#x53D7;&#x5B57;&#x6BB5;&#x4E2D;&#x7684;&#x4EE5;&#x53EF;&#x89C6;&#x65B9;&#x5F0F;&#x5265;&#x593A;&#x52A8;&#x7269;&#x663E;&#x793A;&#x7A7A;&#x95F4;&#x4E0D;&#x5339;&#x914D;&#x7684;&#x6291;&#x5236;&#x548C;&#x5174;&#x594B;&#x6027;&#x7684;&#x6295;&#x5165;&#x548C;&#x6291;&#x5236;&#x6295;&#x5165;&#x9AD8;&#x5EA6;&#x5206;&#x6563;&#x5728;&#x63A5;&#x53D7;&#x5B57;&#x6BB5;&#x3002;&#x8FD9;&#x4E9B;&#x7ED3;&#x679C;&#x8868;&#x660E;&#x65E9;&#x5728;&#x751F;&#x6D3B;&#x4E2D;&#x7684;&#x89C6;&#x89C9;&#x4F53;&#x9A8C;&#x662F;&#x5173;&#x952E;&#x7CBE;&#x5316;&#x89C6;&#x7F51;&#x819C;&#x7535;&#x8DEF;&#x548C;&#x76F8;&#x5E94;&#x4FE1;&#x53F7;&#x7684;&#x65F6;&#x7A7A;&#x5C5E;&#x6027;&#x7684;&#x89C6;&#x89C9;&#x523A;&#x6FC0;&#xFF0C;&#x4ECE;&#x800C;&#x5F71;&#x54CD;&#x795E;&#x7ECF;&#x5143;&#x7684;&#x66F4;&#x9AD8;&#x7684;&#x89C6;&#x89C9;&#x4E2D;&#x5FC3;&#x7684;&#x54CD;&#x5E94;&#x5C5E;&#x6027;&#x548C;&#x5B83;&#x4EEC;&#x7684;&#x89C6;&#x89C9;&#x4FE1;&#x606F;&#x7684;&#x5904;&#x7406;&#x3002;

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Les premi&egrave;res exp&eacute;riences sensorielles fa&ccedil;onnent la connectivit&eacute; anatomique et fonctionnelle des r&eacute;seaux neurones. Manque de lumi&egrave;re modifie la transmission synaptique et modifie les propri&eacute;t&eacute;s de sensibilit&eacute; lumineuse dans le syst&egrave;me visuel, des circuits r&eacute;tiniennes aux centres visuels sup&eacute;rieurs. Ces effets sont plus prononc&eacute;s au cours d&#39;une p&eacute;riode critique dans la vie juv&eacute;nile et sont g&eacute;n&eacute;ralement invers&eacute;es en r&eacute;tablissant les conditions de lumi&egrave;re normales. Nous d&eacute;montrons que complet manque de lumi&egrave;re, de la naissance &agrave; p&eacute;riodes au-del&agrave; de la p&eacute;riode critique, modifie en permanence les propri&eacute;t&eacute;s de champ r&eacute;ceptif des cellules ganglionnaires r&eacute;tiniennes. Privation visuelle ont r&eacute;duit la force des r&eacute;actions l&eacute;g&egrave;res dans les cellules ganglionnaires et leur taille de champ r&eacute;ceptif. Manque de lumi&egrave;re produit un d&eacute;s&eacute;quilibre dans le rapport entre les inhibiteurs aux entr&eacute;es excitateurs, avec un glissement vers des conductances inhibitrices plus grandes. Champs r&eacute;cepteurs de ganglion cell en priv&eacute; visuellement animaux a montr&eacute; un d&eacute;calage spatial des inhibiteurs et entr&eacute;es d&#39;excitateurs et inhibiteurs ont &eacute;t&eacute; tr&egrave;s dispers&eacute;s sur le champ r&eacute;ceptif. Ces r&eacute;sultats indiquent que l&#39;exp&eacute;rience visuelle t&ocirc;t dans la vie est essentielle pour le raffinement des circuits r&eacute;tiniens et une signalisation appropri&eacute;e des propri&eacute;t&eacute;s spatio-temporelles des stimuli visuels, influen&ccedil;ant ainsi les propri&eacute;t&eacute;s de la r&eacute;ponse des neurones dans les centres visuels sup&eacute;rieurs et leur traitement de l&#39;information visuelle.

R&eacute;organisation fonctionnelle permanente des circuits r&eacute;tiniennes induite par la privation visuelle &agrave; long terme au d&eacute;but.

Fr&uuml;hen sensorischen Erfahrungen Formen die funktionelle und anatomische Konnektivit&auml;t neuronaler Netzwerke. Leichte Benachteiligung synaptischen &Uuml;bertragung ver&auml;ndert und &auml;ndert leichte Antwort Eigenschaften im visuellen System, von retinalen Schaltkreise zu h&ouml;heren visuellen Zentren. Diese Effekte sind ausgepr&auml;gter w&auml;hrend einer kritischen Zeit in juvenile Leben und werden meist durch die Wiederherstellung der normaler Lichtverh&auml;ltnissen zur&uuml;ckgesetzt. Hier zeigen wir, dass komplette leichte Benachteiligung, von der Geburt bis Perioden &uuml;ber die kritische Zeit hinaus dauerhaft die rezeptive Feldeigenschaften der retinalen Ganglienzellen &auml;ndert. Visuelle Entbehrung reduziert die St&auml;rke der leichten Reaktionen in den Ganglienzellen und ihre rezeptive Feldgr&ouml;&szlig;e. Leichte Benachteiligung produziert ein Ungleichgewicht im Verh&auml;ltnis von hemmenden zu exzitatorischen Inputs, mit eine Verlagerung hin zu gr&ouml;&szlig;eren hemmenden Conductances. Ganglion Zelle rezeptive Felder in visuell vorenthalten Tiere zeigten eine r&auml;umliche Diskrepanz von inhibitorischen und exzitatorischen Inputs und hemmenden Eing&auml;nge hoch &uuml;ber das rezeptive Feld verstreut. Diese Ergebnisse zeigen, dass die visuelle Erfahrung schon fr&uuml;h im Leben f&uuml;r die Verfeinerung der retinalen Schaltkreise und entsprechende Signalisierung der raumzeitliche Eigenschaften des visuellen Reizen, somit beeinflusst die Reaktion-Eigenschaften der Neuronen im h&ouml;heren visuellen Zentren und deren Verarbeitung visueller Informationen ankommt.

Permanente funktionelle Reorganisation der retinalen Schaltkreise induziert durch fr&uuml;hen langfristigen visuellen Deprivation.

Esperienza sensoriale precoce forme la connettivit&agrave; anatomica e funzionale delle reti neuronali. Privazione di luce altera la trasmissione sinaptica e modifica le propriet&agrave; di luce della risposta del sistema visivo, dai circuiti della retina ai centri visivi superiori. Questi effetti sono pi&ugrave; pronunciati durante un periodo critico nella vita giovanile e per la maggior parte sono invertiti, ripristinando le normali condizioni di luce. Qui vi mostriamo che completa privazione di luce, dalla nascita per periodi oltre il periodo critico, permanentemente modifica le propriet&agrave; di campo recettivo delle cellule gangliari della retina. Privazione visiva ridotta sia la forza della luce risposte nelle cellule gangliari e le loro dimensioni campo ricettivo. Privazione di luce ha prodotto uno squilibrio nel rapporto di inibitoria agli input eccitatorio, con uno spostamento verso pi&ugrave; grandi conductances inibitorio. Ganglio cellula ricettive campi in privato visivamente gli animali hanno mostrati una mancata corrispondenza spaziale di inibitoria ed eccitatorio e inibitori ingressi erano altamente sparsi in campo ricettivo. Questi risultati indicano che esperienza visiva presto nella vita &egrave; fondamentale per la raffinatezza dei circuiti della retina e per segnalazione adeguata delle propriet&agrave; spatiotemporal di stimoli visivi, influenzando cos&igrave; le propriet&agrave; di risposta dei neuroni nei centri visivi superiori e loro elaborazione delle informazioni visive.

Riorganizzazione funzionale permanente dei circuiti della retina indotta da precoce deprivazione visiva a lungo termine.

&#x521D;&#x671F;&#x611F;&#x899A;&#x7684;&#x306A;&#x4F53;&#x9A13;&#x306F;&#x3001;&#x30CB;&#x30E5;&#x30FC;&#x30ED;&#x30F3;&#x306E;&#x6A5F;&#x80FD;&#x7684;&#x3067;&#x89E3;&#x5256;&#x5B66;&#x7684;&#x63A5;&#x7D9A;&#x3092;&#x56F3;&#x5F62;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x5149;&#x306E;&#x5265;&#x596A;&#x306F;&#x3001;&#x30B7;&#x30CA;&#x30D7;&#x30B9;&#x4F1D;&#x9054;&#x3092;&#x5909;&#x66F4;&#x3057;&#x3001;&#x7DB2;&#x819C;&#x56DE;&#x8DEF;&#x3088;&#x308A;&#x9AD8;&#x3044;&#x30D3;&#x30B8;&#x30E5;&#x30A2;&#x30EB; &#x30FB; &#x30BB;&#x30F3;&#x30BF;&#x30FC;&#x304B;&#x3089;&#x306E;&#x8996;&#x899A;&#x7CFB;&#x306E;&#x5149;&#x5FDC;&#x7B54;&#x7279;&#x6027;&#x3092;&#x5909;&#x66F4;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x3053;&#x308C;&#x3089;&#x306E;&#x52B9;&#x679C;&#x3088;&#x308A;&#x91CD;&#x8981;&#x306A;&#x671F;&#x9593;&#x4E2D;&#x306B;&#x306F;&#x3001;&#x5C11;&#x5E74;&#x306E;&#x751F;&#x6D3B;&#x306E;&#x4E2D;&#x3067;&#x767A;&#x97F3;&#x3055;&#x308C;&#x308B;&#x3001;&#x307B;&#x3068;&#x3093;&#x3069;&#x901A;&#x5E38;&#x306E;&#x5149;&#x306E;&#x72B6;&#x614B;&#x3092;&#x5FA9;&#x5143;&#x3059;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x306B;&#x3088;&#x3063;&#x3066;&#x9006;&#x306B;&#x306A;&#x308A;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x3053;&#x3053;&#x3067;&#x91CD;&#x8981;&#x306A;&#x671F;&#x9593;&#x671F;&#x9593;&#x8A95;&#x751F;&#x304B;&#x3089;&#x306E;&#x5B8C;&#x5168;&#x306A;&#x5149;&#x5265;&#x596A;&#x306F;&#x5B8C;&#x5168;&#x306B;&#x7DB2;&#x819C;&#x795E;&#x7D4C;&#x7BC0;&#x7D30;&#x80DE;&#x306E;&#x53D7;&#x5BB9;&#x91CE;&#x7279;&#x6027;&#x3092;&#x5909;&#x66F4;&#x3059;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x8996;&#x899A;&#x5265;&#x596A;&#x306F;&#x3001;&#x795E;&#x7D4C;&#x7BC0;&#x7D30;&#x80DE;&#x306E;&#x5149;&#x5FDC;&#x7B54;&#x7279;&#x6027;&#x3068;&#x305D;&#x306E;&#x53D7;&#x5BB9;&#x91CE;&#x306E;&#x5927;&#x304D;&#x3055;&#x306E;&#x4E21;&#x65B9;&#x3092;&#x524A;&#x6E1B;&#x3057;&#x307E;&#x3057;&#x305F;&#x3002;&#x5149;&#x5265;&#x596A;&#x5927;&#x304D;&#x304F;&#x6291;&#x5236;&#x30B3;&#x30F3;&#x30C0;&#x30AF;&#x30BF;&#x30F3;&#x30B9;&#x3078;&#x306E;&#x30B7;&#x30D5;&#x30C8;&#x3068;&#x306E;&#x8208;&#x596E;&#x6027;&#x5165;&#x529B;&#x306E;&#x6291;&#x5236;&#x306E;&#x6BD4;&#x7387;&#x306E;&#x4E0D;&#x5747;&#x8861;&#x3092;&#x751F;&#x7523;&#x3057;&#x307E;&#x3057;&#x305F;&#x3002;&#x795E;&#x7D4C;&#x7BC0;&#x7D30;&#x80DE;&#x306E;&#x53D7;&#x5BB9;&#x91CE;&#x306E;&#x8996;&#x899A;&#x7A7A;&#x9593;&#x306E;&#x4E0D;&#x4E00;&#x81F4;&#x306E;&#x6291;&#x5236;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x305F;&#x52D5;&#x7269;&#x3092;&#x596A;&#x308F;&#x308C;&#x305F;&#x3001;&#x8208;&#x596E;&#x6027;&#x5165;&#x529B;&#x3068;&#x6291;&#x5236;&#x6027;&#x5165;&#x529B;&#x975E;&#x5E38;&#x306B;&#x53D7;&#x5BB9;&#x91CE;&#x306B;&#x6563;&#x5728;&#x3057;&#x3066;&#x3044;&#x305F;&#x3002;&#x3053;&#x308C;&#x3089;&#x306E;&#x7D50;&#x679C;&#x306F;&#x3001;&#x4EBA;&#x751F;&#x306E;&#x65E9;&#x3044;&#x6BB5;&#x968E;&#x3067;&#x8996;&#x899A;&#x7684;&#x306A;&#x7D4C;&#x9A13;&#x304C;&#x7DB2;&#x819C;&#x56DE;&#x8DEF;&#x306E;&#x5FAE;&#x7D30;&#x5316;&#x304A;&#x3088;&#x3073;&#x9069;&#x5207;&#x306A;&#x8996;&#x899A;&#x523A;&#x6FC0;&#x306E;&#x305F;&#x3081;&#x306E;&#x9AD8;&#x3044;&#x8996;&#x899A;&#x7684;&#x306A;&#x30BB;&#x30F3;&#x30BF;&#x30FC;&#x306E;&#x30CB;&#x30E5;&#x30FC;&#x30ED;&#x30F3;&#x306E;&#x5FDC;&#x7B54;&#x7279;&#x6027;&#x3068;&#x8996;&#x899A;&#x60C5;&#x5831;&#x306E;&#x51E6;&#x7406;&#x306B;&#x5F71;&#x97FF;&#x3092;&#x4E0E;&#x3048;&#x308B;&#x306E;&#x6642;&#x7A7A;&#x9593;&#x7279;&#x6027;&#x306E;&#x30B7;&#x30B0;&#x30CA;&#x30EA;&#x30F3;&#x30B0;&#x306E;&#x305F;&#x3081;&#x306B;&#x4E0D;&#x53EF;&#x6B20;&#x3067;&#x3042;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;

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La experiencia sensorial temprana formas la conectividad anat&oacute;mica y funcional de redes neuronales. Privaci&oacute;n de luz altera la transmisi&oacute;n sin&aacute;ptica y modifica las propiedades de la luz de la respuesta en el sistema visual, de circuitos retinianos a centros visuales superiores. Estos efectos son m&aacute;s pronunciados durante un per&iacute;odo cr&iacute;tico en la vida juvenil y se invierten principalmente mediante la restauraci&oacute;n de las condiciones de luz normales. Aqu&iacute; mostramos que la privaci&oacute;n de luz completa, desde el nacimiento hasta los periodos m&aacute;s all&aacute; del per&iacute;odo cr&iacute;tico, permanentemente modifica las propiedades de campo receptivo de las c&eacute;lulas ganglionares de la retina. Privaci&oacute;n visual hab&iacute;a reducido tanto la fuerza de luz respuestas en las c&eacute;lulas del ganglio y su tama&ntilde;o de campo receptivo. Privaci&oacute;n de luz produce un desequilibrio en la proporci&oacute;n de inhibitoria a inputs excitatorios, con un cambio hacia m&aacute;s grandes conductancias inhibitorios. Campos receptivos de ganglio celulares en visualmente privan animales mostraron un desajuste espacial de inhibitoria y excitatorias entradas y entradas inhibitorios altamente fueron dispersados sobre el campo receptivo. Estos resultados indican que la experiencia visual temprano en la vida es cr&iacute;tico para el refinamiento de circuitos retinianos y se&ntilde;alizaci&oacute;n adecuada de las propiedades espacio-temporales de est&iacute;mulos visuales, as&iacute; influir en las propiedades de respuesta de las neuronas en centros visuales superiores y su proceso de informaci&oacute;n visual.

Reorganizaci&oacute;n funcional permanente de circuitos retinianos inducida por la temprana privaci&oacute;n visual a largo plazo.

Retinal ganglion cells (RGCs), which survive in large numbers following neurodegenerative diseases, could be stimulated with extracellular electric pulses to elicit artificial percepts. How do the RGCs respond to electrical stimulation at the sub-cellular level under different stimulus configurations, and how does this influence the whole-cell response? At the population level, why have experiments yielded conflicting evidence regarding the extent of passing axon activation? We addressed these questions through simulations of morphologically and biophysically detailed computational RGC models on high performance computing clusters. We conducted the analyses on both large-field RGCs and small-field midget RGCs. The latter neurons are unique to primates. We found that at the single cell level the electric potential gradient in conjunction with neuronal element excitability, rather than the electrode center location per se, determined the response threshold and latency. In addition, stimulus positioning strongly influenced the location of RGC response initiation and subsequent activity propagation through the cellular structure. These findings were robust with respect to inhomogeneous tissue resistivity perpendicular to the electrode plane. At the population level, RGC cellular structures gave rise to low threshold hotspots, which limited axonal and multi-cell activation with threshold stimuli. Finally, due to variations in neuronal element excitability over space, following supra-threshold stimulation some locations favored localized activation of multiple cells, while others favored axonal activation of cells over extended space.

Responses of retinal ganglion cells to extracellular electrical stimulation, from single cell to population: model-based analysis.

Les cellules ganglionnaires r&eacute;tiniennes (CGR), qui survivent en grand nombre &agrave; la suite de maladies neurod&eacute;g&eacute;n&eacute;ratives, peuvent &ecirc;tre stimul&eacute;es par des impulsions &eacute;lectriques extracellulaires pour susciter des percepts artificiels. Comment les CGR r&eacute;pondent-ils &agrave; une stimulation &eacute;lectrique au niveau sub-cellulaire sous des configurations diff&eacute;rents stimulus, et comment fonctionne cette r&eacute;ponse influence la cellule enti&egrave;re ? Au niveau de la population, pourquoi exp&eacute;riences ont donn&eacute; des t&eacute;moignages contradictoires quant &agrave; l&#39;&eacute;tendue de transmettre l&#39;activation de l&#39;axone ? On a abord&eacute; ces questions par le biais de simulations de morphologiquement et biophysiques d&eacute;taill&eacute;e des mod&egrave;les de calcul RGC sur clusters hautes performances. Nous avons effectu&eacute; les analyses sur les CGR de grand-champ et petit-champ midget CGR. Les neurones de ce dernier sont uniques aux primates. Nous avons constat&eacute; que le gradient de potentiel &eacute;lectrique niveau unicellulaire conjointement avec l&#39;excitabilit&eacute; neuronale &eacute;l&eacute;ment, plut&ocirc;t que de l&#39;emplacement de centre d&#39;&eacute;lectrode d&eacute;termin&eacute; en soi, le seuil de r&eacute;ponse et la latence. En outre, positionnement relance fortement influenc&eacute; l&#39;emplacement du CJR r&eacute;ponse initiation et la propagation de l&#39;activit&eacute; subs&eacute;quente par le biais de la structure cellulaire. Ces r&eacute;sultats ont &eacute;t&eacute; robustes en ce qui concerne la r&eacute;sistivit&eacute; inhomog&egrave;ne tissu perpendiculaire au plan de l&#39;&eacute;lectrode. Au niveau des populations, structures cellulaires CJR a donn&eacute; naissance aux hotspots de bas seuil, qui limitait l&#39;activation axonale et multicellulaire avec des stimuli de seuil. Enfin, en raison de variations de l&#39;excitabilit&eacute; neuronale &eacute;l&eacute;ment dans l&#39;espace, apr&egrave;s stimulation supraliminaire favorable &agrave; certains endroits localis&eacute;s d&#39;activation des cellules multiples, tandis que d&#39;autres favoris&eacute;e axonale d&#39;activation des cellules au cours de l&#39;espace &eacute;tendu.

R&eacute;ponses des cellules ganglionnaires r&eacute;tiniennes &agrave; une stimulation &eacute;lectrique extracellulaire, partir seule cellule &agrave; la population : analyse ax&eacute;e sur le mod&egrave;le.

Cellule gangliari della retina (RGCs), che sopravvivono in gran numero a seguito di malattie neurodegenerative, potrebbero essere stimolate con impulsi elettrici extracellulari a suscitare percezioni artificiali. Come il RGCs rispondere a stimolazione elettrica a livello subcellulare sotto configurazioni differenti di stimolo, e come funziona questa risposta influenza le cellule intere? A livello di popolazione, perch&eacute; hanno portato gli esperimenti ad evidenze contrastanti per quanto riguarda la misura del passaggio di attivazione assone? Abbiamo rivolto queste domande attraverso simulazioni di morfologicamente e biophysically dettagliati modelli computazionali RGC su cluster di computer ad alte prestazioni. Abbiamo condotto l&#39;analisi sia grande campo RGCs e nano-piccolo-campo RGCs. I neuroni di quest&#39;ultimi sono unici ai primati. Abbiamo scoperto che a livello di singola cellula il gradiente di potenziale elettrico in concomitanza con l&#39;eccitabilit&agrave; neuronale elemento, piuttosto che la posizione del centro di elettrodo per s&eacute;, determinata la soglia di risposta e la latenza. Inoltre, stimolo posizionamento fortemente influenzato la posizione del RGC risposta iniziazione e propagazione di attivit&agrave; successivi attraverso la struttura cellulare. Questi risultati erano robusti rispetto alla resistivit&agrave; tessuto disomogeneo perpendicolare al piano di elettrodo. A livello di popolazione, strutture cellulari RGC ha dato luogo a hotspot di bassa soglia, che ha limitato l&#39;attivazione assonale e a celle multiple con stimoli soglia. Infine, a causa di variazioni di eccitabilit&agrave; neuronale elemento sopra lo spazio, dopo stimolo sovra soglia alcuni luoghi favoriti localizzata attivazione di pi&ugrave; celle, mentre gli altri favoriti assonale attivazione delle cellule sopra lo spazio esteso.

Le risposte delle cellule gangliari della retina alla stimolazione elettrica extracellulare, da singola cellula alla popolazione: analisi basata sul modello.

Dario A. Protti

Discipline of Physiology,
School of Medical Sciences,
Sydney Medical School and Bosch Institute,
Discipline of Physiology, School of Medical Sciences, Sydney Medical School and Bosch Institute

University of Sydney

Implementing Dynamic Clamp with Synaptic and Artificial Conductances in Mouse Retinal Ganglion Cells

Dario A. Protti

Discipline of Physiology,School of Medical Sciences,Sydney Medical School and Bosch Institute,Discipline of Physiology, School of Medical Sciences, Sydney Medical School and Bosch Institute

University of Sydney

Implementing Dynamic Clamp with Synaptic and Artificial Conductances in Mouse Retinal Ganglion Cells

Discipline of Physiology,
School of Medical Sciences,
Sydney Medical School and Bosch Institute,
Discipline of Physiology, School of Medical Sciences, Sydney Medical School and Bosch Institute