Dynamics of Synapse Function during Postnatal Development and Homeostatic Plasticity in Central Neurons
Creators: name: Lee, Kevin Fu-Hsiang
Publisher: name: Université d'Ottawa / University of Ottawa
Year: 2015
Subjects: Synapse
Dendritic spines
AMPA
NMDA
Electrophysiology
Two-photon
Calcium imaging
Glutamate uncaging
Neural circuit development

description: The majority of fast excitatory neurotransmission in the brain occurs at glutamatergic synapses. The extensive dendritic arborisations of pyramidal neurons in the neocortex and hippocampus harbor thousands of synaptic connections, each formed on tiny protrusions called dendritic spines. Spine synapses are rapidly established during early postnatal development – a key period in neural circuit assembly – and are subject to dynamic activity-dependent plasticity mechanisms that are believed to underlie neural information storage and processing for learning and memory. Recent decades have seen remarkable progress in identifying diverse plasticity mechanisms responsible for regulating synapse structure and function, and in understanding the processes underlying computation of synaptic inputs in the dendrites of individual neurons. These advances have strengthened our understanding of the biological mechanisms underlying brain function but, not surprisingly, they have also raised many new questions. Using a combination of whole-cell electrophysiology, 2-photon imaging and glutamate uncaging in rodent brain slice preparations, I have helped to document the subtype-specific regulation of glutamate receptors during a homeostatic form of synaptic plasticity at CA1 pyramidal neurons of the hippocampus, and have discovered novel synaptic calcium dynamics during a critical period of neural circuit formation. First, we found that during a homeostatic response to prolonged inactivity, both AMPA and NMDA subtypes of glutamate receptors undergo a switch in subunit composition at synapses, but exhibit a divergence in their subcellular localization at extrasynaptic regions of the plasma membrane (this work was published in the Journal of Neuroscience in 2013). In separate series of experiments using 2-photon calcium imaging, I discovered a functional coupling between NMDA receptor activation and intracellular calcium release at dendritic spines and dendrites that is selectively expressed during a critical period of synapse formation. This synaptic calcium signaling mechanism enabled the transformation of distinct spatiotemporal patterns of synaptic input into salient biochemical signals, and is thus apt to locally regulate synapse development along individual dendritic branches. Consistent with this hypothesis, I found evidence for non-random clustering of synapse development between neighboring dendritic spines. Together, these experimental results expand the current understanding of the dynamics of synapse function during homeostatic plasticity and early postnatal development. --- Les synapses glutamatergiques soutiennent la majorité de la neurotransmission excitatrice rapide du cerveau. Des milliers de ces synapses, localisées sur de minuscules saillies appelées épines dendritiques, décorent les vastes arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du néocortex et de l'hippocampe. Ces synapses sont formées tôt lors du développement postnatal et sont soumises à des mécanismes dynamiques de plasticité qui sous-tendent, croit-on, les capacités d'apprentissage et de mémoire du cerveau. Les dernières décennies ont vu des progrès remarquables dans l'identification de divers mécanismes de régulation de la structure et de la fonction des synapses sur différentes échelles de temps, et dans la compréhension des processus qui régissent l’intégration des inputs synaptiques au niveau des dendrites individuelles. Ces progrès ont renforcé notre compréhension des éléments fondamentaux régissant la fonction cérébrale et ont ouvert de nouvelles voies d’investigations neurophysiologiques. En utilisant une combinaison d’électrophysiologie cellulaire, d'imagerie à deux-photons et de photolibération de glutamate sur des neurones pyramidaux de la région CA1 de l'hippocampe de rats, j’ai contribué à la découverte et à la caractérisation de nouvelles régulations des récepteurs du glutamate durant la plasticité synaptique homéostatique. J’ai également découvert un nouveau type de dynamique de calcium synaptique relié à une organisation spatiale du développement des synapses pendant une période critique de l’ontogénie des circuits neuronaux. Dans la première étude, nous avons constaté que lors d'une plasticité de type homéostatique induite par une inactivité prolongée, les récepteurs de glutamate de types AMPA et NMDA sont soumis à un changement important dans la composition de leurs sous-unités. De plus, nous avons observé un ciblage différentiel de ces récepteurs vers des compartiments subcellulaires spécifiques des neurones. Dans une série d'expériences séparée utilisant l’imagerie calcique à deux-photons, j’ai découvert un couplage fonctionnel durant le développent entre l'activation des récepteurs NMDA et une libération de calcium intracellulaire qui envahit tant les épines dendritiques que les dendrites. J’ai également trouvé que ce mécanisme de signalisation de calcium synaptique transforme des motifs spatiotemporels d’activités synaptiques spécifiques en signaux biochimiques post-synaptiques de manière à potentiellement réguler l’organisation spatiale des synapses durant le développement. Conformément à cette hypothèse, j’ai observé des manifestations fonctionnelles claires de regroupement dans l’espace de synapses de forces similaires le long de branches dendritiques individuelles. Ensemble, ces résultats expérimentaux élargissent notre compréhension actuelle de de la fonction des synapses durant la plasticité homéostatique ainsi que durant le développement postnatal du cerveau. En étudiant les mécanismes neurophysiologiques de base, il sera possible d'avoir un aperçu plus profond du fonctionnement du cerveau et de ses pathologies.