Investigating the long-term effects of spike-timing-dependent plasticity and the activity-dependence of cFos expression in hippocampal pyramidal neurons using optogenetics

Abstract

The strengthening or weakening of synapses that occurs after coincident activity of pre and postsynaptic neurons is called spike-timingdependent plasticity (STDP) and is thought to be a key mechanism underlying the formation of memories. However, to control postsynaptic firing, the neurons need to be recorded from which consequently limits what we know about STDP to about 60 minutes after the induction. Using two colors of light, I was able to overcome this issue and optogenetically induce STDP (oSTDP) between hippocampal CA3 and CA1 neurons expressing the channelrhodopsins ChrimsonR and CheRiff and observe both timing-dependent potentiation (tLTP) and timing-dependent depression (tLTD). I then induced oSTDP in the incubator without patching the neurons and quantified the results three days later. Surprisingly, three days after inducing oSTDP only tLTP was evident regardless of whether pre- or postsynaptic neurons fired first. The late tLTP depended on NMDA receptors and unperturbed spontaneous activity was necessary in the two days following oSTDP induction. My data suggest that tLTD at Schaffer collateral synapses may be a transitory phenomenon or, potentially, a recording artifact of patch-clamp experiments.

In addition, I investigated the action potential-induced expression pattern of the immediate early gene cFos. As expected, cFos was strongly and specifically activated in the CheRiff-CA1 neurons during induction of oSTDP (300 EPSPs at 5 Hz paired with 300 bursts of 3 action potentials at 50 Hz). However, 300 single spikes at 5 Hz failed to elevate cFos level in CA3 neurons. To understand this, I investigated the relationship between cFos expression and neuronal firing pattern. Neurons expressing ChrimsonR were stimulated at various frequencies and a clear U-shaped frequency dependence was observed. cFos was induced by 300 action potentials at 0.1 Hz and 50 Hz, whereas almost no cFos upregulation was evident at 1 Hz, 5 Hz and 10 Hz. I then investigated how many action potentials (i.e. spikes) fired by a neuron are suffcient to upregulate cFos. Interestingly, 3 light-induced action potentials were enough to induce cFos expression in CA1 neurons, but less suffcient in case of CA3 or Dentate gyrus, whereas 10 action potentials were not suffcient to induce cFos expression in any region. 30 and 300 spikes at 50 Hz resulted in similar cFos expression pattern across the organotypic hippocampal slice culture.

Die Stärkung oder Schwächung von Synapsen, die nach einer gleichzeitigen Aktivität von prä- und postsynaptischen Neuronen auftritt, wird als ’spike-timing-dependent plasticity’ (STDP) bezeichnet und als Schlüsselmechanismus für die Bildung von Erinnerungen angesehen. Um die postsynaptische Aktivität zu kontrollieren, müssen jedoch die Neuronen gepatcht werden, wodurch das, was wir über STDP wissen, auf etwa 60 Minuten nach der Plastizitätsinduktion begrenzt wird. Mit zwei Lichtfarben konnte ich dieses Problem überwinden. Die optogenetisch induzierte STDP (oSTDP) zwischen CA3- und CA1-Pyramidenzellen des Hippocampus, die mit den Channelrhodopsinen ChrimsonR und CheRiff transduziert beziehungsweise transfektiert wurden, produzierte sowohl eine zeitabhängige Langzeitpotenzierung (tLTP) als auch eine zeitabhängige Langzeitdepression (tLTD). Ich induzierte oSTDP im Inkubator, ohne die Neuronen zu patchen, und quantifizierte die Ergebnisse drei Tage später. Überraschenderweise war drei Tage nach Induktion von oSTDP nur tLTP offensichtlich, unabhängig davon, ob prä- oder postsynaptische Neuronen zuerst feuerten. Das Vorhandensein von tLTP nach drei Tagen hing von NMDA-Rezeptoren ab und eine ungestörte spontane Aktivität war in den zwei Tagen nach der oSTDP-Induktion notwendig. Meine Daten legen nahe, dass tLTD an Schaffer-Kollateral-Synapsen ein vorübergehendes Phänomen oder möglicherweise ein Aufzeichnungsartefakt von Patch-Clamp-Experimenten sein kann.

Zusätzlich untersuchte ich das aktivitätsinduzierte Expressionsmuster des unmittelbaren frühen Gens cFos. Wie erwartet wurde cFos in den CheRiff-CA1-Neuronen während der Induktion von oSTDP stark und spezifisch aktiviert (300 EPSPs bei 5 Hz gepaart mit 300 Bursts mit 3 Aktionspotentialen bei 50 Hz). 300 einzelne Spikes bei 5 Hz konnten jedoch das cFos-Expressionsniveau in CA3-Neuronen nicht erhöhen. Um dieses Verhalten zu verstehen, untersuchte ich die Beziehung zwischen der cFos-Expression und dem neuronalen Feuermuster. ChrimsonR transduzierte Neuronen wurden bei verschiedenen Frequenzen stimuliert und eine deutliche, U-förmige Frequenzabhängigkeit wurde beobachtet. cFos-Expression wurde durch 300 Aktionspotentiale bei 0.1 Hz und 50 Hz induziert, während bei 1 Hz, 5 Hz and 10 Hz fast keine cFos-Hochregulation erkennbar war. Ich untersuchte weiterhin, wie viele von einem Neuron ausgelöste Aktionspotentiale ausreichen, um cFos hoch zu regulieren. Interessanterweise reichten 3 lichtinduzierte Aktionspotentiale aus, um die cFos-Expression in CA1-Neuronen zu induzieren, während CA3-Neuronen oder Granularzellen des Gyrus dentatus mehr benötigten. Mit 10 Aktionspotentialen konnte dagegen in keiner Region des Hippokampus cFos-Expression induziert werden. 30 und 300 Aktionspotentiale bei 50 Hz führten zu einem ähnlichen cFosExpressionsmuster in der organotypischen Hippocampus-Schnittkultur.