Mechanismen der synaptischen Übertragung an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse

Die Funktion unseres Zentralnervensystems beruht auf der zeitlich präzisen Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen. Diese synaptische Übertragung findet in weniger als einer tausendstel Sekunde statt. Eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung erweitert die Kodierungskapazität und beschleunigt die Verarbeitung von Informationen. Obwohl viele der an synaptischer Übertragung beteiligten Prozesse und Proteine bekannt sind, ist das Verständnis der Mechanismen, die für eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung verantwortlich sind, bisher unvollständig. Um die Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit prä- und postsynaptische Patch-Clamp Ableitungen an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse in akuten Hirnschnitten der Maus eingesetzt. Es zeigte sich, dass diese Synapse präsynaptische Aktionspotenziale mit einer Frequenz über einem Kilohertz feuern kann und dass Informationen in diesem Frequenzbereich an die postsynaptische Zelle übertragen werden können. Hierbei vermitteln besonders schnelle Natrium- und Kalium-Kanäle eine extrem kurze Dauer der Aktionspotenziale, die dennoch metabolisch relativ effizient sind. Schnelle Kalzium-Kanäle und eine schwache präsynaptische Kalzium-Pufferung ermöglichen eine synchrone Vesikelfreisetzung mit hohen Frequenzen. Zusätzlich greift die Präsynapse auf einen großen Vorrat an freisetzbaren Vesikeln zurück, dessen Auffüllung besonders schnell stattfindet. Aufgrund der hochfrequenten synaptischen Übertragung ist die Moosfaser- Körnerzell-Synapse ideal, um zu untersuchen, wie schnell die auf eine Vesikelfreisetzung folgende Endozytose vonstatten geht. Mit optimierten, hochauflösenden Kapazitätsmessungen konnte an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse eine sehr schnelle Endozytose nach einzelnen Aktionspotenzialen gezeigt werden. Die hohe Geschwindigkeit der Endozytose unterstützt somit eine hochfrequente synaptische Übertragung. Diese schnelle Endozytose wird durch die Moleküle Dynamin und Actin vermittelt und ist unabhängig von einer Wirkung von Clathrin. Stärkere Stimuli wie längere Depolarisationen evozieren eine langsamere Form der Endozytose, die zusätzlich Clathrin-abhängig ist. Durch die mechanistische Beschreibung hochfrequenter Signalübertragung an einer zentralen Synapse erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unser Verständnis von synaptischer Übertragung und Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem

Efficient sampling-based Bayesian Active Learning for synaptic characterization

Bayesian Active Learning (BAL) is an efficient framework for learning the parameters of a model, in which input stimuli are selected to maximize the mutual information between the observations and the unknown parameters. However, the applicability of BAL to experiments is limited as it requires performing high-dimensional integrations and optimizations in real time. Current methods are either too time consuming, or only applicable to specific models. Here, we propose an Efficient Sampling-Based Bayesian Active Learning (ESB-BAL) framework, which is efficient enough to be used in real-time biological experiments. We apply our method to the problem of estimating the parameters of a chemical synapse from the postsynaptic responses to evoked presynaptic action potentials. Using synthetic data and synaptic whole-cell patch-clamp recordings, we show that our method can improve the precision of model-based inferences, thereby paving the way towards more systematic and efficient experimental designs in physiology

The role of pulse shape in motor cortex transcranial magnetic stimulation using full-sine stimuli

A full-sine (biphasic) pulse waveform is most commonly used for repetitive transcranial magnetic stimulation (TMS), but little is known about how variations in duration or amplitude of distinct pulse segments influence the effectiveness of a single TMS pulse to elicit a corticomotor response. Using a novel TMS device, we systematically varied the configuration of full-sine pulses to assess the impact of configuration changes on resting motor threshold (RMT) as measure of stimulation effectiveness with single-pulse TMS of the non-dominant motor hand area (M1). In young healthy volunteers, we (i) compared monophasic, half-sine, and full-sine pulses, (ii) applied two-segment pulses consisting of two identical half-sines, and (iii) manipulated amplitude, duration, and current direction of the first or second full-sine pulse half-segments. RMT was significantly higher using half-sine or monophasic pulses compared with full-sine. Pulses combining two half-sines of identical polarity and duration were also characterized by higher RMT than fullsine stimuli resulting. For full-sine stimuli, decreasing the amplitude of the halfsegment inducing posterior-anterior oriented current in M1 resulted in considerably higher RMT, whereas varying the amplitude of the half-segment inducing anterior-posterior current had a smaller effect. These findings provide direct experimental evidence that the pulse segment inducing a posterior anterior directed current in M1 contributes most to corticospinal pathway excitation. Preferential excitation of neuronal target cells in the posterior-anterior segment or targeting of different neuronal structures by the two half-segments can explain this result. Thus, our findings help understanding the mechanisms of neural stimulation by full-sine TMS

Gradients in the mammalian cerebellar cortex enable Fourier-like transformation and improve storing capacity

Cerebellar granule cells (GCs) make up the majority of all neurons in the vertebrate brain, but heterogeneities among GCs and potential functional consequences are poorly understood. Here, we identified unexpected gradients in the biophysical properties of GCs in mice. GCs closer to the white matter (inner-zone GCs) had higher firing thresholds and could sustain firing with larger current inputs than GCs closer to the Purkinje cell layer (outer-zone GCs). Dynamic Clamp experiments showed that inner- and outer-zone GCs preferentially respond to high- and low-frequency mossy fiber inputs, respectively, enabling dispersion of the mossy fiber input into its frequency components as performed by a Fourier transformation. Furthermore, inner-zone GCs have faster axonal conduction velocity and elicit faster synaptic potentials in Purkinje cells. Neuronal network modeling revealed that these gradients improve spike-timing precision of Purkinje cells and decrease the number of GCs required to learn spike-sequences. Thus, our study uncovers biophysical gradients in the cerebellar cortex enabling a Fourier-like transformation of mossy fiber inputs

Pathogenic SCN2A variants cause early-stage dysfunction in patient-derived neurons

Pathogenic heterozygous variants in SCN2A, which encodes the neuronal sodium channel NaV1.2, cause different types of epilepsy or intellectual disability (ID)/autism without seizures. Previous studies using mouse models or heterologous systems suggest that NaV1.2 channel gain-of-function typically causes epilepsy, whereas loss-of-function leads to ID/autism. How altered channel biophysics translate into patient neurons remains unknown. Here, we investigated iPSC-derived early-stage cortical neurons from ID patients harboring diverse pathogenic SCN2A variants [p.(Leu611Valfs*35); p.(Arg937Cys); p.(Trp1716*)], and compared them to neurons from an epileptic encephalopathy patient [p.(Glu1803Gly)] and controls. ID neurons consistently expressed lower NaV1.2 protein levels. In neurons with the frameshift variant, NaV1.2 mRNA and protein levels were reduced by ~ 50%, suggesting nonsense-mediated decay and haploinsufficiency. In other ID neurons, only protein levels were reduced implying NaV1.2 instability. Electrophysiological analysis revealed decreased sodium current density and impaired action potential (AP) firing in ID neurons, consistent with reduced NaV1.2 levels. By contrast, epilepsy neurons displayed no change in NaV1.2 levels or sodium current density, but impaired sodium channel inactivation. Single-cell transcriptomics identified dysregulation of distinct molecular pathways including inhibition of oxidative phosphorylation in neurons with SCN2A haploinsufficiency, and activation of calcium signaling and neurotransmission in epilepsy neurons. Together, our patient iPSC-derived neurons reveal characteristic sodium channel dysfunction consistent with biophysical changes previously observed in heterologous systems. Additionally, our model links the channel dysfunction in ID to reduced NaV1.2 levels and uncovers impaired AP firing in early-stage neurons. The altered molecular pathways may reflect a homeostatic response to NaV1.2 dysfunction and can guide further investigations

A model of human neural networks reveals NPTX2 pathology in ALS and FTLD

Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies$^{1}$, which involve human-specific mechanisms$^{2–5}$ that cannot be directly studied in animal models. Here, to explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated induced pluripotent stem cell-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors$^{6}$. Single-cell transcriptomics and comparison to independent neural stem cells$^{7}$ showed that iCoMoNSCs are uniquely homogenous and self-renewing. Differentiated iCoMoNSCs formed a self-organized multicellular system consisting of synaptically connected and electrophysiologically active neurons, which matured into long-lived functional networks (which we designate iNets). Neuronal and glial maturation in iNets was similar to that of cortical organoids$^{8}$. Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of neurons within iNets led to progressive fragmentation and aggregation of the protein, resulting in a partial loss of function and neurotoxicity. Single-cell transcriptomics revealed a novel set of misregulated RNA targets in TDP-43-overexpressing neurons and in patients with TDP-43 proteinopathies exhibiting a loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded the synaptic protein NPTX2, the levels of which are controlled by TDP-43 binding on its 3′ untranslated region. When NPTX2 was overexpressed in iNets, it exhibited neurotoxicity, whereas correcting NPTX2 misregulation partially rescued neurons from TDP-43-induced neurodegeneration. Notably, NPTX2 was consistently misaccumulated in neurons from patients with amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal lobar degeneration with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby revealing a TDP-43-dependent pathway of neurotoxicity

Pathogenic SCN2A variants cause early-stage dysfunction in patient-derived neurons

Pathogenic heterozygous variants in SCN2A, which encodes the neuronal sodium channel NaV1.2, cause different types of epilepsy or intellectual disability (ID)/autism without seizures. Previous studies using mouse models or heterologous systems suggest that NaV1.2 channel gain-of-function typically causes epilepsy, whereas loss-of-function leads to ID/autism. How altered channel biophysics translate into patient neurons remains unknown. Here, we investigated iPSC-derived early-stage cortical neurons from ID patients harboring diverse pathogenic SCN2A variants [p.(Leu611Valfs*35); p.(Arg937Cys); p.(Trp1716*)], and compared them to neurons from an epileptic encephalopathy patient [p.(Glu1803Gly)] and controls. ID neurons consistently expressed lower NaV1.2 protein levels. In neurons with the frameshift variant, NaV1.2 mRNA and protein levels were reduced by ~ 50%, suggesting nonsense-mediated decay and haploinsufficiency. In other ID neurons, only protein levels were reduced implying NaV1.2 instability. Electrophysiological analysis revealed decreased sodium current density and impaired action potential (AP) firing in ID neurons, consistent with reduced NaV1.2 levels. By contrast, epilepsy neurons displayed no change in NaV1.2 levels or sodium current density, but impaired sodium channel inactivation. Single-cell transcriptomics identified dysregulation of distinct molecular pathways including inhibition of oxidative phosphorylation in neurons with SCN2A haploinsufficiency, and activation of calcium signaling and neurotransmission in epilepsy neurons. Together, our patient iPSC-derived neurons reveal characteristic sodium channel dysfunction consistent with biophysical changes previously observed in heterologous systems. Additionally, our model links the channel dysfunction in ID to reduced NaV1.2 levels and uncovers impaired AP firing in early-stage neurons. The altered molecular pathways may reflect a homeostatic response to NaV1.2 dysfunction and can guide further investigations

Mechanismen der synaptischen Übertragung an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse

Die Funktion unseres Zentralnervensystems beruht auf der zeitlich präzisen Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen. Diese synaptische Übertragung findet in weniger als einer tausendstel Sekunde statt. Eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung erweitert die Kodierungskapazität und beschleunigt die Verarbeitung von Informationen. Obwohl viele der an synaptischer Übertragung beteiligten Prozesse und Proteine bekannt sind, ist das Verständnis der Mechanismen, die für eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung verantwortlich sind, bisher unvollständig. Um die Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit prä- und postsynaptische Patch-Clamp Ableitungen an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse in akuten Hirnschnitten der Maus eingesetzt. Es zeigte sich, dass diese Synapse präsynaptische Aktionspotenziale mit einer Frequenz über einem Kilohertz feuern kann und dass Informationen in diesem Frequenzbereich an die postsynaptische Zelle übertragen werden können. Hierbei vermitteln besonders schnelle Natrium- und Kalium-Kanäle eine extrem kurze Dauer der Aktionspotenziale, die dennoch metabolisch relativ effizient sind. Schnelle Kalzium-Kanäle und eine schwache präsynaptische Kalzium-Pufferung ermöglichen eine synchrone Vesikelfreisetzung mit hohen Frequenzen. Zusätzlich greift die Präsynapse auf einen großen Vorrat an freisetzbaren Vesikeln zurück, dessen Auffüllung besonders schnell stattfindet. Aufgrund der hochfrequenten synaptischen Übertragung ist die Moosfaser- Körnerzell-Synapse ideal, um zu untersuchen, wie schnell die auf eine Vesikelfreisetzung folgende Endozytose vonstatten geht. Mit optimierten, hochauflösenden Kapazitätsmessungen konnte an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse eine sehr schnelle Endozytose nach einzelnen Aktionspotenzialen gezeigt werden. Die hohe Geschwindigkeit der Endozytose unterstützt somit eine hochfrequente synaptische Übertragung. Diese schnelle Endozytose wird durch die Moleküle Dynamin und Actin vermittelt und ist unabhängig von einer Wirkung von Clathrin. Stärkere Stimuli wie längere Depolarisationen evozieren eine langsamere Form der Endozytose, die zusätzlich Clathrin-abhängig ist. Durch die mechanistische Beschreibung hochfrequenter Signalübertragung an einer zentralen Synapse erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unser Verständnis von synaptischer Übertragung und Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem

Mechanismen der synaptischen Übertragung an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse

Die Funktion unseres Zentralnervensystems beruht auf der zeitlich präzisen Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen. Diese synaptische Übertragung findet in weniger als einer tausendstel Sekunde statt. Eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung erweitert die Kodierungskapazität und beschleunigt die Verarbeitung von Informationen. Obwohl viele der an synaptischer Übertragung beteiligten Prozesse und Proteine bekannt sind, ist das Verständnis der Mechanismen, die für eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung verantwortlich sind, bisher unvollständig. Um die Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit prä- und postsynaptische Patch-Clamp Ableitungen an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse in akuten Hirnschnitten der Maus eingesetzt. Es zeigte sich, dass diese Synapse präsynaptische Aktionspotenziale mit einer Frequenz über einem Kilohertz feuern kann und dass Informationen in diesem Frequenzbereich an die postsynaptische Zelle übertragen werden können. Hierbei vermitteln besonders schnelle Natrium- und Kalium-Kanäle eine extrem kurze Dauer der Aktionspotenziale, die dennoch metabolisch relativ effizient sind. Schnelle Kalzium-Kanäle und eine schwache präsynaptische Kalzium-Pufferung ermöglichen eine synchrone Vesikelfreisetzung mit hohen Frequenzen. Zusätzlich greift die Präsynapse auf einen großen Vorrat an freisetzbaren Vesikeln zurück, dessen Auffüllung besonders schnell stattfindet. Aufgrund der hochfrequenten synaptischen Übertragung ist die Moosfaser- Körnerzell-Synapse ideal, um zu untersuchen, wie schnell die auf eine Vesikelfreisetzung folgende Endozytose vonstatten geht. Mit optimierten, hochauflösenden Kapazitätsmessungen konnte an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse eine sehr schnelle Endozytose nach einzelnen Aktionspotenzialen gezeigt werden. Die hohe Geschwindigkeit der Endozytose unterstützt somit eine hochfrequente synaptische Übertragung. Diese schnelle Endozytose wird durch die Moleküle Dynamin und Actin vermittelt und ist unabhängig von einer Wirkung von Clathrin. Stärkere Stimuli wie längere Depolarisationen evozieren eine langsamere Form der Endozytose, die zusätzlich Clathrin-abhängig ist. Durch die mechanistische Beschreibung hochfrequenter Signalübertragung an einer zentralen Synapse erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unser Verständnis von synaptischer Übertragung und Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem

The cerebellar mossy fiber synapse as a model for high-frequency transmission in the mammalian CNS

The speed of neuronal information processing depends on neuronal firing frequency. Here, we describe the evolutionary advantages and ubiquitous occurrence of high-frequency firing within the mammalian nervous system in general. The highest firing frequencies so far have been observed at the cerebellar mossy fiber to granule cell synapse. The mechanisms enabling high-frequency transmission at this synapse are reviewed and compared with other synapses. Finally, information coding of high-frequency signals at the mossy fiber synapse is discussed. The exceptionally high firing frequencies and amenability to high-resolution technical approaches both in vitro and in vivo establish the cerebellar mossy fiber synapse as an attractive model to investigate high-frequency signaling from the molecular up to the network level