Glia selectively approach synapses on thin dendritic spines

This paper examines the relationship between the morphological modality of 189 dendritic spines and the surrounding astroglia using full three dimensional reconstructions of neuropil fragments. An integrative measure of three-dimensional glial coverage confirms that thin spine PSDs are more tightly surrounded by glia. This distinction suggests that diffusion-dependent synapse–glia communication near ‘learning’ synapses (associated with thin spines) could be stronger than that near ‘memory’ synapses (associated with larger spines)

Determinants of Functional Coupling between Astrocytes and Respiratory Neurons in the Pre-Bötzinger Complex

Respiratory neuronal network activity is thought to require efficient functioning of astrocytes. Here, we analyzed neuron-astrocyte communication in the pre-Bötzinger Complex (preBötC) of rhythmic slice preparations from neonatal mice. In astrocytes that exhibited rhythmic potassium fluxes and glutamate transporter currents, we did not find a translation of respiratory neuronal activity into phase-locked astroglial calcium signals. In up to 20% of astrocytes, 2-photon calcium imaging revealed spontaneous calcium fluctuations, although with no correlation to neuronal activity. Calcium signals could be elicited in preBötC astrocytes by metabotropic glutamate receptor activation or after inhibition of glial glutamate uptake. In the latter case, astrocyte calcium elevation preceded a surge of respiratory neuron discharge activity followed by network failure. We conclude that astrocytes do not exhibit respiratory-rhythmic calcium fluctuations when they are able to prevent synaptic glutamate accumulation. Calcium signaling is, however, observed when glutamate transport processes in astrocytes are suppressed or neuronal discharge activity is excessive

Neurotrophinerge Modulation der GABAergen Hemmung im Colliculus superior der Maus

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Modulation der GABAergen synaptischen Transmission in den visuellen Schichten des Colliculus superior der Maus durch das Neurotrophin BDNF zu charakterisieren. Hierzu wurden bdnf+/+ und -/- Mäuse kurz vor und nach der Augenöffnung in einer die Morphologie erhaltenden Schnittpräparation elektrophysiologisch und molekularbiologisch untersucht. Das Fehlen von BDNF veränderte das Präparat hinsichtlich Neurondichte und -größe nicht. Ebenso blieben der Membranwiderstand und die Ganzzellkapazität unbeeinflusst von der chronischen Abwesenheit von BDNF. Im Gegensatz dazu zeigten sich deutliche funktionelle Defizite im Entladungsverhalten und in der GABAergen Hemmung. Durch Registrierung von Aktionspotentialen wurde demonstriert, dass BDNF für die Aufrechterhaltung der Netzwerkaktivität erforderlich ist. Durch Applikation eines GABAA-Rezeptor-Inhibitors konnte die Suppression der GABAergen Hemmung durch BDNF als zugrunde liegender Mechanismus aufgedeckt werden. Daraufhin durchgeführte Ganzzellableitungen bestätigten dies und legten einen postsynaptischen, TrkB-vermittelten Mechanismus der BDNF-Wirkung nahe. Es war möglich, den Einfluss der chronischen Abwesenheit von BDNF durch akute lokale Superfusion von BDNF vollständig aufzuheben. Die ausschließlich postsynaptische Blockade der PKC reichte aus, dies zu verhindern. Hierdurch wird unterstrichen, dass in diesem Präparat der Angriffspunkt von BDNF an der GABAergen Synapse auf der postsynaptischen Seite liegt. Um den genauen Wirkungsmechanismus von BDNF an der GABAergen Synapse zu beleuchten, wurde die mRNA-Expression der GABAA-Rezeptor-Untereinheiten alpha 1-3 untersucht. Diese ist in Anwesenheit von BDNF höher. Demzufolge sollte eine reduzierte Expression dieser Untereinheiten in bdnf-/- Tieren zu einer verringerten Rezeptoranzahl und somit zur Sättigung postsynaptischer Rezeptoren führen. Durch die Analyse von Amplitude und Kinetik GABAerger IPSC und die Applikation von Zolpidem wurde dies bestätigt. Demnach führt die Abwesenheit von BDNF zur Aufregulation der GABAergen Inhibition, obwohl die Rezeptorzahl in der Postsynapse wahrscheinlich niedriger ist. Als zentraler Mechanismus der akuten BDNF-Wirkung kommt deshalb am ehesten eine PKC-vermittelte Phosphorylierung und nachfolgende Veränderung des Desensitisierungsverhaltens in Betracht. Außerdem muss an eine Reduktion der Öffnungswahrscheinlichkeit oder der Leitfähigkeit des Rezeptors gedacht werden. Unmittelbar vor der Augenöffnung hatte die BDNF-Defizienz keinerlei Einfluss auf die GABAerge Hemmung. Es ist also davon auszugehen, dass BDNF im CS erst nach der Augenöffnung eine wesentliche Rolle in der Modulation der GABAergen Synapsen und damit in der Kontrolle der Netzwerkaktivität spielt. Dies steht in Einklang mit der Vorstellung, dass sowohl Translation und Freisetzung als auch Transport von BDNF durch neuronale Aktivität reguliert werden. Der Ablauf der neurotrophinergen Regulation im Colliculus superior stellt sich wie folgt dar: Durch Aktivation colliculärer Afferenzen wird BDNF vermehrt freigesetzt. BDNF reduziert nun zunächst über die Modulation von Rezeptoreigenschaften die GABAerge Hemmung und disinhibiert die Netzwerkaktivität. Längerfristig kommt es über eine vermehrte Expression von GABAA-Rezeptor-Untereinheiten zum Anstieg der Rezeptorzahl, damit zur Wiederherstellung der GABAergen Hemmung und letztlich zu einer Reduktion der Netzwerkaktivität. BDNF ist also in der kritischen Zeitperiode der Augenöffnung, wenn das Mustersehen einsetzt, ein wichtiger Faktor in der Regulation neuronaler Aktivität.The aim of the study was to characterise the influence of the neurotrophin BDNF on the GABAergic synaptic transmission in the visual layers of the mouse superior colliculus. Acute slices prepared from bdnf+/+ and -/- mice shortly before and after eye opening were employed in the experiments. The absence of BDNF altered neither the density or size of neurons nor their membrane resistance or whole cell capacity. However, registration of action potentials revealed a decreased firing rate in the absence of BDNF. Stronger disinhibition induced by application of a GABAA receptor blocker suggested an enhanced GABAergic inhibition as an underlying mechanism. This assumption was confirmed by performing whole cell experiments. Further analysis indicated a postsynaptic enhancement of GABAergic synaptic transmission in the absence of BDNF. In bdnf+/+ slices, blockade of BDNF signalling through the TrkB receptor strengthened GABAergic synaptic transmission. Contrariwise, superfusion of exogenous BDNF in bdnf-/- suppressed GABAergic synaptic transmission. An exclusively postsynaptic block of the PKC abolished the effect of BDNF application. Therefore, a BDNF induced, TrkB mediated, PKC dependent suppression of the GABAergic synaptic transmission at the postsynaptic site can be assumed. To further elucidate the mechanism of BDNF action the expression of the GABAA receptor subunits alpha 1-3 mRNA was studied. In the presence of BDNF an elevated expression was observed. A lower expression of these subunits in bdnf-/- slices could result in a reduced number of GABAA receptors. During synaptic transmission they may become saturated. Two observations support this idea: In bdnf-/- slices application of Zolpidem does not induce an increase of GABAergic IPSC amplitude as present in bdnf+/+ slices. Amplitude and decay kinetics of GABAergic IPSCs correlate in bdnf-/- but not +/+ slices. Therefore, absence of BDNF may strengthen GABAergic synaptic transmission although mediated by a reduced number of postsynaptic receptors. A BDNF induced PKC dependent receptor phosphorylation followed by a change in receptor desensitisation is most likely the underlying mechanism. Nevertheless, a reduction of the receptor opening probability or a reduced receptor conductance have to be considered as well. Shortly before eye opening BDNF deficiency had no impact on GABAergic inhibition. In accordance with the general idea that expression and release of BDNF is activity dependent, this finding suggests that BDNF controls network activity by modulating GABAergic synaptic transmission only after eye opening. Taken together, the following sequence of BDNF action in the superior colliculus during eye opening can be proposed: Activation of collicular inputs triggers an increased BDNF release. BDNF suppresses GABAergic synaptic transmission leading to a disinhibition of network activity. Later, the increased expression of GABAA receptor subunits by prolonged BDNF release results in an increased GABAA receptor number, the recovery of the GABAergic inhibition and finally a gently tuned network activity. In summary, BDNF constitutes a major regulator of neuronal activity in the critical period of eye opening marking the transition to pattern vision

Astroglial Glutamate Signaling and Uptake in the Hippocampus

Astrocytes have long been regarded as essentially unexcitable cells that do not contribute to active signaling and information processing in the brain. Contrary to this classical view, it is now firmly established that astrocytes can specifically respond to glutamate released from neurons. Astrocyte glutamate signaling is initiated upon binding of glutamate to ionotropic and/or metabotropic receptors, which can result in calcium signaling, a major form of glial excitability. Release of so-called gliotransmitters like glutamate, ATP and D-serine from astrocytes in response to activation of glutamate receptors has been demonstrated to modulate various aspects of neuronal function in the hippocampus. In addition to receptors, glutamate binds to high-affinity, sodium-dependent transporters, which results in rapid buffering of synaptically-released glutamate, followed by its removal from the synaptic cleft through uptake into astrocytes. The degree to which astrocytes modulate and control extracellular glutamate levels through glutamate transporters depends on their expression levels and on the ionic driving forces that decrease with ongoing activity. Another major determinant of astrocytic control of glutamate levels could be the precise morphological arrangement of fine perisynaptic processes close to synapses, defining the diffusional distance for glutamate, and the spatial proximity of transporters in relation to the synaptic cleft. In this review, we will present an overview of the mechanisms and physiological role of glutamate-induced ion signaling in astrocytes in the hippocampus as mediated by receptors and transporters. Moreover, we will discuss the relevance of astroglial glutamate uptake for extracellular glutamate homeostasis, focusing on how activity-induced dynamic changes of perisynaptic processes could shape synaptic transmission at glutamatergic synapses