It is known that top-down associative inputs terminate on distal apical dendrites in layer 1 while bottom-up sensory inputs terminate on perisomatic dendrites of layer 2/3 pyramidal neurons (L2/3 PyNs) in primary sensory cortex. Since studies on synaptic transmission in layer 1 are sparse, we investigated the basic properties and cholinergic modulation of synaptic transmission in layer 1 and compared them to those in perisomatic dendrites of L2/3 PyNs of rat primary visual cortex. Using extracellular stimulations of layer 1 and layer 4, we evoked excitatory postsynaptic current/potential in synapses in distal apical dendrites (L1-EPSC/L1-EPSP) and those in perisomatic dendrites (L4-EPSC/L4-EPSP), respectively. Kinetics of L1-EPSC was slower than that of L4-EPSC. L1-EPSC showed presynaptic depression while L4-EPSC was facilitating. In contrast, inhibitory postsynaptic currents showed similar paired-pulse ratio between layer 1 and layer 4 stimulations with depression only at 100 Hz. Cholinergic stimulation induced presynaptic depression by activating muscarinic receptors in excitatory and inhibitory synapses to similar extents in both inputs. However, nicotinic stimulation enhanced excitatory synaptic transmission by ~20% in L4-EPSC. Rectification index of AMPA receptors and AMPA/NMDA ratio were similar between synapses in distal apical and perisomatic dendrites. These results provide basic properties and cholinergic modulation of synaptic transmission between distal apical and perisomatic dendrites in L2/3 PyNs of the visual cortex, which might be important for controlling information processing balance depending on attentional state.
Spinal nerve injury causes mechanical allodynia and structural imbalance of neurotransmission, which were typically associated with calcium overload. Storeoperated calcium entry (SOCE) is considered crucial elements-mediating intracellular calcium homeostasis, ion channel activity, and synaptic plasticity. However, the underlying mechanism of SOCE in mediating neuronal transmitter release and synaptic transmission remains ambiguous in neuropathic pain. Neuropathic rats were operated by spinal nerve ligations. Neurotransmissions were assessed by whole-cell recording in substantia gelatinosa. Immunofluorescence staining of STIM1 with neuronal and glial biomarkers in the spinal dorsal horn. The endoplasmic reticulum stress level was estimated from qRT-PCR. Intrathecal injection of SOCE antagonist SKF96365 dose-dependently alleviated mechanical allodynia in ipsilateral hind paws of neuropathic rats with ED50 of 18 ㎍. Immunofluorescence staining demonstrated that STIM1 was specifically and significantly expressed in neurons but not astrocytes and microglia in the spinal dorsal horn. Bath application of SKF96365 inhibited enhanced miniature excitatory postsynaptic currents in a dosage-dependent manner without affecting miniature inhibitory postsynaptic currents. Mal-adaption of SOCE was commonly related to endoplasmic reticulum (ER) stress in the central nervous system. SKF96365 markedly suppressed ER stress levels by alleviating mRNA expression of C/ EBP homologous protein and heat shock protein 70 in neuropathic rats. Our findings suggested that nerve injury might promote SOCE-mediated calcium levels, resulting in long-term imbalance of spinal synaptic transmission and behavioral sensitization, SKF96365 produces antinociception by alleviating glutamatergic transmission and ER stress. This work demonstrated the involvement of SOCE in neuropathic pain, implying that SOCE might be a potential target for pain management.
Striatum is involved in the control of movement and habitual memory. It receives glutamatergic input from wide area of the cerebral cortex as well as an extensive serotonergic (5-hydroxytryptamine, 5-HT) input from the raphe nuclei. In our study, the effects of 5-HT on synaptic transmission were studied in the rat corticostriatal brain slice using in vitro whole-cell recording technique. 5-HT inhibited the amplitude as well as frequency of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSC) significantly, and neither ${\gamma}-aminobutyric$ acid (GABA)A receptor antagonist bicuculline (BIC), nor $N-methyl-_{D}-aspartate$ (NMDA) receptor antagonist, $_{DL}-2-amino-5-phosphonovaleric$ acid (AP-V) could block the effect of 5-HT. In the presence non-NMDA receptor antagonist, 2,3-dioxo-6-nitro-1,2,3,4-tetrahydrobenxo[f] quinoxaline-7-sulfonamide (NBQX), the inhibitory effect of 5-HT was blocked. We also figured out that 5-HT change the channel kinetics of the sEPSC. There was a significant increase in the rise time during the 5-HT application. Our results suggest that 5-HT has an effect on both pre- and postsynaptic site with decreasing neurotransmitter release probability of glutamate and decreasing the sensitivity to glutamate by increasing the rise time of non-NMDA receptor mediated synaptic transmission in the corticostriatal synapses.
Kim, Yoo Rim;Shim, Hyun Geun;Kim, Chang-Eop;Kim, Sang Jeong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제22권4호
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pp.419-425
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2018
The superficial dorsal horn of the spinal cord plays an important role in pain transmission and opioid activity. Several studies have demonstrated that opioids modulate pain transmission, and the activation of ${\mu}$-opioid receptors (MORs) by opioids contributes to analgesic effects in the spinal cord. However, the effect of the activation of MORs on GABAergic interneurons and the contribution to the analgesic effect are much less clear. In this study, using transgenic mice, which allow the identification of GABAergic interneurons, we investigated how the activation of MORs affects the excitability of GABAergic interneurons and synaptic transmission between primary nociceptive afferent and GABAergic interneurons. We found that a selective ${\mu}$-opioid agonist, [$D-Ala^2$, $NMe-Phe^4$, Gly-ol]-enkephanlin (DAMGO), induced an outward current mediated by $K^+$ channels in GABAergic interneurons. In addition, DAMGO reduced the amplitude of evoked excitatory postsynaptic currents (EPSCs) of GABAergic interneurons which receive monosynaptic inputs from primary nociceptive C fibers. Taken together, we found that DAMGO reduced the excitability of GABAergic interneurons and synaptic transmission between primary nociceptive C fibers and GABAergic interneurons. These results suggest one possibility that suppression of GABAergic interneurons by DMAGO may reduce the inhibition on secondary GABAergic interneurons, which increase the inhibition of the secondary GABAergic interneurons to excitatory neurons in the spinal dorsal horn. In this circumstance, the sum of excitation of the entire spinal network will control the pain transmission.
The effects of $Zn^{2+}$ on spontaneous glutamate and GABA release were tested in mechanically dissociated rat CA3 pyramidal neurons which retained functional presynaptic nerve terminals. The spontaneous miniature excitatory and inhibitory postsynaptic currents (mEPSCs and mIPSCs, respectively) were pharmacologically isolated and recorded using whole-cell patch clamp technique under voltage-clamp conditions. $Zn^{2+}$ at a lower concentration $(30{\mu}M)$ increased GABAergic mIPSC frequency without affecting mIPSC amplitude, but it decreased both mIPSC frequency and amplitude at higher concentrations $({\ge}300{\mu}M)$. In contrast, $Zn^{2+}$ (3 to $100{\mu}M$) did not affect glutamatergic mEPSCs, although it slightly decreased both mIPSC frequency and amplitude at $300{\mu}M$ concentration. Facilitatory effect of $Zn^{2+}$ on GABAergic mIPSC frequency was occluded either in $Ca^{2+}$-free external solution or in the presence of $100{\mu}M$ 4-aminopyridine, a non-selective $K^{+}$ channel blocker. The results suggest that $Zn^{2+}$ at lower concentrations depolarizes GABAergic nerve terminals by blocking $K^{+}$ channels and increases the probability of spontaneous GABA release. This $Zn^{2+}$-mediated modulation of spontaneous GABAergic transmission is likely to play an important role in the regulation of neuronal excitability within the hippocampal CA3 area.
Fluoxetine, widely used for the treatment of depression, is known to be a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI), however, there are also reports that fluoxetine has direct effects on several receptors. Employing whole-cell patch clamp techniques in rat brain slice, we studied the effects of fluoxetine on corticostriatal synaptic transmission by measuring the change in spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSC). Acute treatment of rat brain slice with fluoxetine ($10{\mu}M$) significantly decreased the amplitude of sEPSC ($8.1{\pm}3.3$%, n=7), but did not alter its frequency ($99.1{\pm}4.7$%, n=7). Serotonin ($10{\mu}M$) also significantly decreased the amplitude ($81.2{\pm}3.9$%, n=4) of sEPSC, but did not affect its frequency ($105.8{\pm}8.0$, n=4). The effect of fluoxetine was found to have the same trend as that of serotonin. We also found that the inhibitory effect of fluoxetine on sEPSC amplitude ($93.0{\pm}1.9$%, n=8) was significantly blocked, but not serotonin ($84.3{\pm}1.6$%, n=4), when the brain slice was incubated with p-chloroamphetamine ($10{\mu}M$), which depletes serotonin from the axon terminals and blocks its reuptake. These results suggest that fluoxetine inhibits corticostriatal synaptic transmission through postsynaptic, and that these effects are exerted through both serotonin dependent and independent mechanism.
The striatum receives glutamatergic afferents from the cortex and thalamus, and these synaptic transmissions are mediated by ${\alpha}$-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate (AMPA) and N-methyl D-aspartate (NMDA) receptors. The purpose of this study was to characterize glutamate receptors by analyzing NMDA/AMPA ratio and rectification of AMPA and NMDA excitatory postsynaptic currents (EPSCs) using a whole-cell voltage-clamp method in the dorsal striatum. Receptor antagonists were used to isolate receptor or subunit specific EPSC, such as (DL)-2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV), an NMDA receptor antagonist, ifenprodil, an NR2B antagonist, CNQX, an AMPA receptor antagonist and IEM-1460, a GluR2-lacking AMPA receptor blocker. AMPA and NMDA EPSCs were recorded at - 70 and + 40 mV, respectively. Rectification index was calculated by current ratio of EPSCs between + 50 and - 50 mV. NMDA/AMPA ratio was 0.20${\pm}$0.05, AMPA receptor ratio of GluR2-lacking/GluR2-containing subunit was 0.26${\pm}$0.05 and NMDA receptor ratio of NR2B/NR2A subunit was 0.32${\pm}$0.03. The rectification index (control 2.39${\pm}$0.27) was decreased in the presence of both APV and combination of APV and IEM-1460 (1.02${\pm}$0.11 and 0.93${\pm}$0.09, respectively). These results suggest that the major components of the striatal glutamate receptors are GluR2-containing AMPA receptors and NR2A-containing NMDA receptors. Our results may provide useful information for corticostriatal synaptic transmission and plasticity studies.
The effect of forskolin on corticostriatal synaptic transmission was examined by recording excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in rat brain slices using the whole-cell voltage-clamp technique. Forskolin produced a dose-dependent increase of corticostriatal EPSCs (1, 3, 10, and $30{\mu}M$) immediately after its treatment, and the increase at 10 and $30{\mu}M$ was maintained even after its washout. When the brain slices were pre-treated with (DL)-2-amino-phosphonovaleric acid (AP-V, $100{\mu}M$), an NMDA receptor antagonist, the acute effect of forskolin ($10{\mu}M$) was blocked. However, after washout of forskolin, an increase of corticostriatal EPSCs was still observed even in the presence of AP-V. When KT 5720 ($5{\mu}M$), a protein kinase A (PKA) inhibitor, was applied through the patch pipette, forskolin ($10{\mu}M$) increased corticostriatal EPSCs, but this increase was not maintained. When forskolin was applied together with AP-V and KT 5720, both the increase and maintenance of the corticostriatal EPSCs were blocked. These results suggest that forskolin activates both NMDA receptors and PKA, however, in a different manner.
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