Imperfect Space Clamp Permits Electrotonic Interactions between Inhibitory and Excitatory Synaptic Conductances, Distorting Voltage Clamp Recordings

The voltage clamp technique is frequently used to examine the strength and composition of synaptic input to neurons. Even accounting for imperfect voltage control of the entire cell membrane (“space clamp”), it is often assumed that currents measured at the soma are a proportional indicator of the postsynaptic conductance. Here, using NEURON simulation software to model somatic recordings from morphologically realistic neurons, we show that excitatory conductances recorded in voltage clamp mode are distorted significantly by neighboring inhibitory conductances, even when the postsynaptic membrane potential starts at the reversal potential of the inhibitory conductance. Analogous effects are observed when inhibitory postsynaptic currents are recorded at the reversal potential of the excitatory conductance. Escape potentials in poorly clamped dendrites reduce the amplitude of excitatory or inhibitory postsynaptic currents recorded at the reversal potential of the other conductance. In addition, unclamped postsynaptic inhibitory conductances linearize the recorded current-voltage relationship of excitatory inputs comprising AMPAR and NMDAR-mediated components, leading to significant underestimation of the relative contribution by NMDARs, which are particularly sensitive to small perturbations in membrane potential. Voltage clamp accuracy varies substantially between neurons and dendritic arbors of different morphology; as expected, more reliable recordings are obtained from dendrites near the soma, but up to 80% of the synaptic signal on thin, distant dendrites may be lost when postsynaptic interactions are present. These limitations of the voltage clamp technique may explain how postsynaptic effects on synaptic transmission could, in some cases, be attributed incorrectly to presynaptic mechanisms

Towards new generation of neuro-implantable devices : engineering neuron/carbon nanotubes integrated functional units

2008/2009Le nanotecnologie sono un campo delle scienze che utilizza materiali e dispositivi ingegnerizzati aventi la più piccola organizzazione funzionale a livello di dimensioni nanometriche. Questo implica che nanodispositivi e nanomateriali possano interagire con i sistemi biologici a livello molecolare con un elevato grado di specificità. É largamente accettato che l’applicazione delle nanotecnologie nell’ambito delle neuroscienze abbia un forte potenziale (Silva, 2006). In questo contesto, i nanotubi di carbonio (CNT), un’innovativa forma di carbonio composta da strutture tubulari di grafite dalle dimensioni nanometriche dotate di buone proprietà di conduzione elettrica, si sono dimostrati promettenti candidati per sviluppare la tecnologia di dispositivi impiantabili in ambito biomedico. Diversi studi hanno dimostrato la biocompatibilità dei substrati di CNT per i neuroni in termini di adesione, crescita e differenziamento cellulare (riassunti in Sucapane et al., 2009). Al fine di aumentare la nostra conoscenza riguardo alle interazioni presenti in sistemi ibridi formati da CNT e neuroni, abbiamo caratterizzato l’attività di reti neuronali cresciuti su supporti di CNT attraverso la tecnica del patch clamp. Il nostro gruppo ha riportato che circuti neuronali cresciuti in vitro su substrati di CNT presentano un’aumentata attività sinaptica spontanea rispetto al controllo a fronte di comparabili proprietà base (proprietà passive di membrana, morfologia e densità dei neuroni) delle colture nelle due condizioni di crescita (Lovat et al., 2005). Si è quindi ipotizzato che tale aumentata attività spontanea potesse originare da una modificazione nel modo in cui i singoli neuroni generano il segnale elettrico. A tal fine, si sono monitorate variazioni nelle proprietà elettrogeniche di singoli neuroni, utilizzando un protocollo standard per caratterizzare l’integrazione di potenziali d’azione retropropaganti nei dendriti (Larkum et al., 1999). In configurazione current clamp, attraverso brevi iniezioni di corrente nel soma della cellula, abbiamo indotto una serie di regolari potenziali d’azione (PA) a varie frequenze nel neurone sotto registrazione, quindi abbiamo studiato la presenza di un’addizionale depolarizzazione somatica dopo l’ultimo PA del treno. Abbiamo osservato che neuroni di controllo mostrano nella maggioranza dei casi una iperpolarizzazione (AHP) del potenziale di membrana dopo l’ultimo PA del treno, mentre una depolarizzazione (ADP) è presente solo in una piccola quota di casi. In presenza di CNT, invece, l’ADP risulta essere l’evento predominante. L’ADP è inoltre abolita dall’applicazione di CoCl2, un bloccante non specifico dei canali calcio voltaggio dipendenti. Per di più, l’area dell’ADP può essere diminuita dall’applicazione di nifedipina (10 μM) e l’ulteriore coapplicazione di NiCl2 (50 μM) elimina totalmente l’ADP, suggerendo che sia i canali calcio voltaggio dipendenti ad alta soglia di attivazione, sia quelli a bassa soglia, siano coinvolti in questo processo (Cellot et al., 2009). Attraverso la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e, più recentemente, mediante quella a scansione (SEM) è stata messa in evidenza la presenza di discontinui punti di stretto contatto tra CNT e membrane neuronali: la nostra ipotesi è che tali strutture ibride siano in grado di favorire la retropropagazione dei PA nei dendriti distali. La maggiore eccitabilità a livello del singolo neurone, inoltre, potrebbe essere responsabile dell’incremento di attività spontanea della rete neuronale. Abbiamo quindi ulteriormente caratterizzato l’attività della rete neuronale attraverso registrazioni da coppie di neuroni, dove il neurone presinaptico veniva stimolato ad avere treni di potenziali d’azione a 20 Hz in configurazione current clamp e simultaneamente il neurone postsinaptico era monitorato in configurazione voltage clamp per vedere la presenza o l’assenza di una risposta sinaptica. I nostri esperimenti indicano che la probabilità di trovare connessioni monosinaptiche gabaergiche tra neuroni è aumentata in presenza di CNT (56% vs 40% in controllo). Inoltre, è stato rilevato un ulteriore effetto dei CNT sulla plasticità a breve termine delle sinapsi: nelle condizioni di controllo, treni di potenziali d’azione nella cellula presinaptica evocano nella cellula postsinaptica nel 90% dei casi una chiara depressione nell’ampiezza di consecutivi ePSCs, mentre solo in meno del 10% è possibile rilevare una facilitazione. Al contrario, in presenza di CNT, nel 39% delle coppie, il neurone postsinaptico risponde in modo chiaramente facilitativo. Nelle più recenti serie di esperimenti, abbiamo voluto indagare più approfonditamente l’origine di questa modificazione in termini di plasticità sinaptica; a tal fine, abbiamo trattato neuroni in controllo e su CNT con tetrodotossina 1 µM per 5 giorni, al fine di bloccare completamente l’attività elettrica della rete neuronale, e abbiamo compiuto delle registrazioni da coppie di neuroni. Mentre la risposta prevalentemente di depressione dei controlli non è modificata da tale trattamento, neuroni cresciuti su substrati di cnt in condizioni di blocco dell’attività elettrica non presentano più sinapsi con caratteristiche di facilitazione, ma hanno un comportamento simile ai contolli. Questi risultati indicano che la facilitazione è una proprietà tipica di sinapsi attive sviluppatesi in presenza di CNT.XXII Ciclo198

Modelling human choices: MADeM and decision‑making

Research supported by FAPESP 2015/50122-0 and DFG-GRTK 1740/2. RP and AR are also part of the Research, Innovation and Dissemination Center for Neuromathematics FAPESP grant (2013/07699-0). RP is supported by a FAPESP scholarship (2013/25667-8). ACR is partially supported by a CNPq fellowship (grant 306251/2014-0)

Neuronal computation on complex dendritic morphologies

When we think about neural cells, we immediately recall the wealth of electrical behaviour which, eventually, brings about consciousness. Hidden deep in the frequencies and timings of action potentials, in subthreshold oscillations, and in the cooperation of tens of billions of neurons, are synchronicities and emergent behaviours that result in high-level, system-wide properties such as thought and cognition. However, neurons are even more remarkable for their elaborate morphologies, unique among biological cells. The principal, and most striking, component of neuronal morphologies is the dendritic tree. Despite comprising the vast majority of the surface area and volume of a neuron, dendrites are often neglected in many neuron models, due to their sheer complexity. The vast array of dendritic geometries, combined with heterogeneous properties of the cell membrane, continue to challenge scientists in predicting neuronal input-output relationships, even in the case of subthreshold dendritic currents. In this thesis, we will explore the properties of neuronal dendritic trees, and how they alter and integrate the electrical signals that diffuse along them. After an introduction to neural cell biology and membrane biophysics, we will review Abbott's dendritic path integral in detail, and derive the theoretical convergence of its infinite sum solution. On certain symmetric structures, closed-form solutions will be found; for arbitrary geometries, we will propose algorithms using various heuristics for constructing the solution, and assess their computational convergences on real neuronal morphologies. We will demonstrate how generating terms for the path integral solution in an order that optimises convergence is non-trivial, and how a computationally-significant number of terms is required for reasonable accuracy. We will, however, derive a highly-efficient and accurate algorithm for application to discretised dendritic trees. Finally, a modular method for constructing a solution in the Laplace domain will be developed

29th Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS*2020

Meeting abstracts This publication was funded by OCNS. The Supplement Editors declare that they have no competing interests. Virtual | 18-22 July 202

Modulation of neuronal function by tau, alpha synuclein or carbon dioxide

The misfolding and aggregation of protein is a characteristic hallmark of neurodegenerative disorders, most notably of amyloid beta and tau in Alzheimer’s disease and alpha synuclein in Parkinson’s disease. There is gathering evidence that early soluble aggregates of these proteins are the most toxic species. In this thesis I have used whole-cell patch clamp recording to quantitively analyse the cellular and sub-cellular effects of introducing tau or alpha synuclein aggregates on neuronal or synaptic function in single neurons. I have demonstrated that full-length tau oligomers (oTau) induce marked changes to action potential dynamics, synaptic transmission and plasticity that were not observed with monomeric tau. Consistent with these electrophysiological changes, oTau could diffuse from the injection site (soma) to synaptic sites within 30 minutes of recording. This study had provided valuable new insight into the actions of tau oligomers within single neurons. I then looked to define the mechanisms underlying these changes using tau truncations. CFRAG (aa124-444) oTau caused a shift in the spike-initiation threshold, mediating the increase in excitability. While NFRAG (aa1-123) tau aggregates and monomers both resulted in comparable changes to AP waveform as full length-oTau. Recording isolated voltage-gated sodium channels highlighted a tau-mediated reduction in both the half-activation and maximal sodium channel conductance. Using the same method, I have demonstrated that introduction of aggregated αSyn into dopaminergic neurons in the substantia nigra significantly increased conductance and decreased excitability, an effect which could be partially prevented by pre-incubation of the slices with Glibenclamide. While evaluating these neurons, I discovered that they have an unexpected connexin hemichannel-mediated CO2-sensitivity phenotype. These cells are located in regions of the brain that are involved in movement, reward, and arousal behaviour. Physiological changes in PCO2 markedly altered whole-cell conductance and excitability. This work suggests a mechanism by which CO2, could alter complex goal-directed behaviours