Ion homeostasis in rhythmogenesis : the interplay between neurons and astroglia

Proper function of all excitable cells depends on ion homeostasis. Nowhere is this more critical than in the brain where the extracellular concentration of some ions determines neurons' firing pattern and ability to encode information. Several neuronal functions depend on the ability of neurons to change their firing pattern to a rhythmic bursting pattern, whereas, in some circuits, rhythmic firing is, on the contrary, associated to pathologies like epilepsy or Parkinson's disease. In this review, we focus on the four main ions known to fluctuate during rhythmic firing: calcium, potassium, sodium, and chloride. We discuss the synergistic interactions between these elements to promote an oscillatory activity. We also review evidence supporting an important role for astrocytes in the homeostasis of each of these ions and describe mechanisms by which astrocytes may regulate neuronal firing by altering their extracellular concentrations. A particular emphasis is put on the mechanisms underlying rhythmogenesis in the circuit forming the central pattern generator (CPG) for mastication and other CPG systems. Finally, we discuss how an impairment in the ability of glial cells to maintain such homeostasis may result in pathologies like epilepsy and Parkinson's disease

An astrocyte-dependent mechanism for neuronal rhythmogenesis

Communication between neurons rests on their capacity to change their firing pattern to encode different messages. For several vital functions, such as respiration and mastication, neurons need to generate a rhythmic firing pattern. Here we show in the rat trigeminal sensori-motor circuit for mastication that this ability depends on regulation of the extracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]e) by astrocytes. In this circuit, astrocytes respond to sensory stimuli that induce neuronal rhythmic activity, and their blockade with a Ca2+ chelator prevents neurons from generating a rhythmic bursting pattern. This ability is restored by adding S100b, an astrocytic Ca2+-binding protein, to the extracellular space, while application of an anti-S100b antibody prevents generation of rhythmic activity. These results indicate that astrocytes regulate a fundamental neuronal property: the capacity to change firing pattern. These findings may have broad implications for many other neural networks whose functions depend on the generation of rhythmic activity

Les courants ioniques qui sous-tendent l'activité des cellules musculaires d'abeille - Mise en évidence des effets écotoxicologiques d'une classe d'insecticides sur le courant calcique

Diplôme : Master RechercheOver the past years, decline in domestic honeybee populations have been reported in the hives, in France and all over the world. To date, causes responsible for honeybee decline are uncertain although among possible hypothesis, insecticides have been pointed out as possible contributors to the decline of those crucial pollinators. Several insecticides have neurotoxic effects, but very often neurotoxicity alone cannot explain the whole observed phenomenon. In an ecotoxicological approach intended for contributing to the understanding of honeybee decline phenomenon, we explored possible myotoxic effects of a pyrethroid insecticide. We 1 used the patch-clamp electrophysiological method on isolated muscle fibers. Current-clamp results show that allethrin affects honeybee muscle fibers action potentials. In voltage-clamp experiments, voltage-dependent calcium channels appear as the primary molecular target for allethrin. Using allethrin as a pharmacological tool, we also obtained results suggesting the presence of an Ic transient potassium current in honeybee fibers. Experiments confirm that cellular approaches are essential in ecotoxicological studies made on pollinators.Ces dernières années, des phénomènes de dépopulations ont été constatés dans les cheptels d’abeilles domestiques, en France et partout dans le monde. Les causes de la disparition des abeilles sont à l’heure actuelle incertaines, mais l’hypothèse a été émise que certains insecticides pourraient être en partie responsables du déclin de ces pollinisateurs de premier plan. Plusieurs insecticides ont une action neurotoxique sur l’abeille, mais la neurotoxicité ne peut cependant, à elle seule expliquer les effets observés sur cet insecte. Dans le cadre d’une démarche écotoxicologique visant à contribuer à la compréhension des phénomènes de déclin, nous avons exploré les effets potentiellement myotoxiques d’un insecticide de la classe des pyréthrinoïdes par la technique électrophysiologique de patch-clamp, dans des cellules musculaires isolées. Les résultats obtenus en conditions de courant imposé montrent que l’alléthrine a un effet sur le potentiel d’action de la fibre musculaire d’abeille. Au niveau moléculaire, en condition de potentiel imposé, le canal calcique activé par la dépolarisation semble être la cible préférentielle de l’alléthrine. Par ailleurs, en utilisant l’alléthrine comme un outil pharmacologique, nous avons obtenu des résultats permettant de suggérer la présence d’une composante de courant potassique transitoire de type Ic dans la fibre d’abeille. Ces expériences confirment que l’approche cellulaire est une composante essentielle de l’écotoxicologie lorsque l’on s’intéresse au devenir des pollinisateurs

Action of pyrethroids on the voltage-gated sodium channels from the honeybee Apis mellifera's olfactory system

Chez les abeilles domestiques, les neurones à récepteurs olfactifs hébergés dans les antennes sont des neurones sensoriels primaires responsables de la détection des odeurs et des phéromones. L'information olfactive est ensuite acheminée par les nerfs antennaires jusqu'aux lobes antennaires qui constituent le premier étage d'intégration de l'information olfactive. Les abeilles butineuses sont exposées aux insecticides, notamment ceux de la classe des pyréthrinoïdes, qui sont utilisés pour la protection des plantes et la lutte contre les insectes considérés comme étant nuisibles.Nous avons caractérisé l'effet des pyréthrinoïdes sur les canaux sodiques activés par le potentiel (responsables des potentiels d'action) dans les deux premiers étages du système olfactif de l'abeille. Nos enregistrements électrophysiologiques en mode potentiel imposé dans les neurones à récepteurs olfactifs mis en culture révèlent que l'effet des pyréthrinoïdes de type I et II (notamment la tétraméthrine et la deltaméthrine) est amplifié par une intensification de l'activité électrique neuronale. Cette amplification survient notamment via le démasquage de canaux sodiques silencieux que nous avons également mis en évidence avec la toxine d'anémone de mer ATX-II. Le niveau maximal de canaux sodiques modifiés est atteint en quelques centaines de millisecondes. Dans les neurones centraux des lobes antennaires, cette amplification apparait très limitée voire absente avec les pyréthrinoïdes mais elle peut toutefois survenir en présence de l'alcaloïde végétal vératridine. Par ailleurs, dans ces neurones centraux, les pyréthrinoïdes semblent être à l’origine d’une accélération de l'inactivation lente des canaux sodiques auparavant décrite en présence de certains anesthésiques locaux. Les modifications différentielles observées dans les neurones périphériques et centraux pourraient être responsables des effets délétères des pyréthrinoïdes sur les capacités de perception, d'orientation et d'apprentissage de l'abeille domestique.In domestic honeybees, the olfactory receptor neurons localized in the antennae are primary sensory neurons responsible for the detection of odor and pheromone compounds. The olfactory information is further conveyed to the antennal lobes by the antennal nerves. The antennal lobes are the first stage of integration of the olfactory information. Forager bees are exposed to insecticides, especially pyrethroids that are used for plant protection and eradication of pests.In the honeybee olfactory pathway, we investigated the effects of pyrethroids on the voltage-gated sodium channels (which underlie action potentials). Our patch-clamp recordings in the antennal olfactory receptor neurons maintained in cell culture reveal that the effects of type I and type II pyrethroids (e.g. tetramethrin and deltamethrin) are increased by an augmentation of neuronal electrical activity. The amplification of the effects of pyrethroids occurs as a result of the unmasking of silent sodium channels that we have also shown evidence for, with sea anemone toxin ATX-II. The maximal sodium channels modification takes place within few hundreds of milliseconds. In the central antennal lobe neurons, that amplification is rather limited or absent with pyrethroids but the plant alkaloid veratridine is able to induce such an amplification. Furthermore, in the latter cell type, pyrethroids cause an acceleration of the sodium channels slow inactivation. Such an effect has been previously reported for some local anesthetics. The differential actions of pyrethroids that we have observed in the peripheral and central neurons may be responsible for the impairment of learning performance, perception and disorientation exhibited by pyrethroid-exposed honeybees

Action des pyréthrinoïdes sur le canal sodique activé par le potentiel des neurones du système olfactif de l'abeille domestique Apis mellifera

In domestic honeybees, the olfactory receptor neurons localized in the antennae are primary sensory neurons responsible for the detection of odor and pheromone compounds. The olfactory information is further conveyed to the antennal lobes by the antennal nerves. The antennal lobes are the first stage of integration of the olfactory information. Forager bees are exposed to insecticides, especially pyrethroids that are used for plant protection and eradication of pests.In the honeybee olfactory pathway, we investigated the effects of pyrethroids on the voltage-gated sodium channels (which underlie action potentials). Our patch-clamp recordings in the antennal olfactory receptor neurons maintained in cell culture reveal that the effects of type I and type II pyrethroids (e.g. tetramethrin and deltamethrin) are increased by an augmentation of neuronal electrical activity. The amplification of the effects of pyrethroids occurs as a result of the unmasking of silent sodium channels that we have also shown evidence for, with sea anemone toxin ATX-II. The maximal sodium channels modification takes place within few hundreds of milliseconds. In the central antennal lobe neurons, that amplification is rather limited or absent with pyrethroids but the plant alkaloid veratridine is able to induce such an amplification. Furthermore, in the latter cell type, pyrethroids cause an acceleration of the sodium channels slow inactivation. Such an effect has been previously reported for some local anesthetics. The differential actions of pyrethroids that we have observed in the peripheral and central neurons may be responsible for the impairment of learning performance, perception and disorientation exhibited by pyrethroid-exposed honeybees.Chez les abeilles domestiques, les neurones à récepteurs olfactifs hébergés dans les antennes sont des neurones sensoriels primaires responsables de la détection des odeurs et des phéromones. L'information olfactive est ensuite acheminée par les nerfs antennaires jusqu'aux lobes antennaires qui constituent le premier étage d'intégration de l'information olfactive. Les abeilles butineuses sont exposées aux insecticides, notamment ceux de la classe des pyréthrinoïdes, qui sont utilisés pour la protection des plantes et la lutte contre les insectes considérés comme étant nuisibles.Nous avons caractérisé l'effet des pyréthrinoïdes sur les canaux sodiques activés par le potentiel (responsables des potentiels d'action) dans les deux premiers étages du système olfactif de l'abeille. Nos enregistrements électrophysiologiques en mode potentiel imposé dans les neurones à récepteurs olfactifs mis en culture révèlent que l'effet des pyréthrinoïdes de type I et II (notamment la tétraméthrine et la deltaméthrine) est amplifié par une intensification de l'activité électrique neuronale. Cette amplification survient notamment via le démasquage de canaux sodiques silencieux que nous avons également mis en évidence avec la toxine d'anémone de mer ATX-II. Le niveau maximal de canaux sodiques modifiés est atteint en quelques centaines de millisecondes. Dans les neurones centraux des lobes antennaires, cette amplification apparait très limitée voire absente avec les pyréthrinoïdes mais elle peut toutefois survenir en présence de l'alcaloïde végétal vératridine. Par ailleurs, dans ces neurones centraux, les pyréthrinoïdes semblent être à l’origine d’une accélération de l'inactivation lente des canaux sodiques auparavant décrite en présence de certains anesthésiques locaux. Les modifications différentielles observées dans les neurones périphériques et centraux pourraient être responsables des effets délétères des pyréthrinoïdes sur les capacités de perception, d'orientation et d'apprentissage de l'abeille domestique

Flubendiamide, the first phthalic acid diamide insecticide, impairs neuronal calcium signalling in the honey bee's antennae

International audienceCalcium is an important intracellular second messenger involved in several processes such as the transduction of odour signals and neuronal excitability. Despite this critical role, relatively little information is available with respect to the impact of insecticides on the dynamics of intracellular calcium homeostasis in olfactory neurons. For the first time here, physiological stimuli (depolarizing current or pheromone) were shown to elicit calcium transients in peripheral neurons from the honey bee antenna. In addition, neurotoxic xenobiotics (the first synthetic phthalic diamide insecticide flubendiamide or botanical alkaloids ryanodine and caffeine) do interfere with normal calcium homeostasis. Our in vitro experiments show that these three xenobiotics can induce sustained abnormal calcium transients in antennal neurons. The present results provide a new insight into the toxicity of diamides, showing that flubendiamide drastically impairs calcium homeostasis in antennal neurons. We propose that a calcium imaging assay should provide an efficient tool dedicated to the modern assessment strategies of insecticides toxicity

The new diamide insecticide chlorantraniliprole compromises honey bee locomotion through alterations of brain and muscle calcium channels.

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Effets débilitants d’un nouvel insecticide avec rechute sévère plusieurs jours après exposition - Perturbation de l’homéostasie calcique neuromusculaire des abeilles et effets topiques différentiels

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Honey bees long-lasting locomotor deficits after exposure to the diamide chlorantraniliprole are accompanied by brain and muscular calcium channels alterations

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Characterization of the effects of the insecticide deltamethrin on neuronal sodium channels and muscular calcium channels from the honey bee Apis mellifera.

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