Static and dynamic properties of synaptic transmission at the cyto-neural junction of frog labyrinth posterior canal

The properties of synaptic transmission have been studied at the cyto-neural junction of the frog labyrinth posterior canal by examining excitatory postsynaptic potential (EPSP) activity recorded intraaxonally from the afferent nerve after abolishing spike firing by tetrodotoxin. The waveform, amplitude, and rate of occurrence of the EPSPs have been evaluated by means of a procedure of fluctuation analysis devised to continuously monitor these parameters, at rest as well as during stimulation of the semicircular canal by sinusoidal rotation at 0.1 Hz, with peak accelerations ranging from 8 to 87 deg.s-2. Responses to excitatory and inhibitory accelerations were quantified in terms of maximum and minimum EPSP rates, respectively, as well as total numbers of EPSPs occurring during the excitatory and inhibitory half cycles. Excitatory responses were systematically larger than inhibitory ones (asymmetry). Excitatory responses were linearly related either to peak acceleration or to its logarithm, and the same occurred for inhibitory responses. In all units examined, the asymmetry of the response yielded nonlinear two-sided input-output intensity functions. Silencing of EPSPs during inhibition (rectification) was never observed. Comparison of activity during the first cycle of rotation with the average response over several cycles indicated that variable degrees of adaptation (up to 48%) characterize the excitatory response, whereas no consistent adaptation was observed in the inhibitory response. All fibers appeared to give responses nearly in phase with angular velocity, at 0.1 Hz, although the peak rates generally anticipated by a few degrees the peak angular velocity. From the data presented it appears that asymmetry, adaptation, and at least part of the phase lead in afferent nerve response are of presynaptic origin, whereas rectification and possible further phase lead arise at the encoder. To confirm these conclusions a simultaneous though limited study of spike firing and EPSP activity has been attempted in a few fibers

A quantitative analysis of efferent inhibition and facilitation of frog vestibular afferents

In the isolated frog labyrinth, inhibition or facilitation of the posterior canal sensory discharge can be achieved by antidromic electrical shocks to the anterior-horizontal nerves. The existence of a peripheral inhibitory efferent pathway is well established, but the efferent nature of facilitation is still controversial. To clarify the modalities of functioning of the efferent system following different activation patterns we have analysed the changes in posterior canal spike rate produced by various protocols of stimulation of the anterior nerve. Results may be summarized as follows: 1) the latency of any effect, estimated from the modifications in EPSP rate, is 15 ms; 2) the degree of inhibition or facilitation of the afferent discharge is positively related to the frequency of stimulation (10-50/s); 3) during long stimulation periods (10 s) a decrease of both responses (adaptation) is observed; 4) the rebound spike discharge at the end of the inhibitory period is a linear function of the preceding stimulation rate; 5) with short, high frequency stimulus trains (250-624 ms; 200-80/s) stimulation time, instead of frequency, is crucial in determining the magnitude of the response. Inhibition and facilitation do not coexist in the same unit and are equally dependent on thestimulation pattern; this suggests that the effects are sustained by two different groups of efferent fibres acting in an antagonistic way on the receptor

Risposta dei neuroni del I ordine ad accelerazioni angolari controllate nel labirinto isolato di rana

EPSPs and spike discharge were recorded intracellularly from 30 fibres of the posterior canal in the isolated frog labyrinth. The resting discharge was 6.6 +/- 7 spikes/sec (Mean +/-SD). The response properties of single units were described during repeated angular acceleration steps (0.3-20 deg/sec2) of 6-12 sec duration. Only one unit exhibited a clearcut adaptation, 7 units were slightly and irregularly adapting, while 22 units did not adapt at all. The response was linearly related to acceleration, with a gain of 2.4 +/- 1.7 spikes.sec-1/deg.sec-2 (Mean +/- SD) in 17 of the units tested, while the discharge frequency of 6 units was logarithmically related to acceleration. Threshold for frequency increase ranged from 0.2 to 2 deg/sec2 and latency from 50 msec to 2 sec. The response timecourse to a single acceleration step markedly deviated from the exponential expected from the torsion pendulum model. The observed nonlinearities can be ascribed to the absence of the efferent control. However, distortions from the model may also be due both to the mechanoelectrical transduction at the receptor level and the properties of the afferent synapse; in fact, an exponential decay of the discharge is consistently observed when the cupola passively shifts to the zero position, at the end of the acceleration step

EFFETTO DI ELEVATE CONCENTRAZIONI PERILINFATICHE DI K+ E Rb+ SULLA ATTIVITÀ' SPONTANEA DEI RECETTORI LABIRINTICI DI RANA.

Nelle hair cells é dimostrabile la presenza di una corrente K+ Ca2+-dipendente che contribuisce al mantenimento ed alla stabilità del potenziale di membrana. Per valutare gli effetti postsinaptici del blocco della IKCa, la scarica di EPSPs e di potenziali d'azione è stata derivata da singole fibre del canale posteriore in presenza di elevate concentrazioni perilinfatiche di K+ o Rb+ (20 mM). In Ringer normale la frequenza di scarica delle unità era 0.5-25 spikes/s. In presenza di soluzioni ad elevato contenuto di K+ o Rb+ si osservava una facilitazione della scarica di EPSPs e di potenziali d'azione accompagnata da una riduzione dell'ampiezza (5-10 mV) e da un aumento della durata degli spikes. Non essendo tuttavia presenti spikes ripetitivi a livello di fibra. la nuova frequenza di scarica era sostenuta esclusivamente dall'aumento dell'attività sinaptica. Le unità a bassa attività spontanea (0.5 spike/s) raggiungevano una frequenza di 40-50 spikes/s in presenza di alte concentrazioni di Rb+ o K+; nelle unità ad elevata frequenza iniziale (20-25 spikes/s) l'effetto facilitante di entrambi gli ioni era meno evidente. L'analisi dei dati ha dimostrato infatti che il grado di facilitazione è inversamente proporzionale al livello iniziale di scarica. I risultati ottenuti suggeriscono che il blocco dell'IKCa produce una stabile depolarizzazione del polo sinaptico delle cellule. Questa depolarizzazione probabilmente favorisce l'influsso di Ca2+. L'aumento della concentrazione del Ca2+ intracellulare infatti può sostenere un potenziamento della liberazione di trasmettitore che si manifesta con l'aumento dell'attività sensoriale nelle fibre afferenti

Ruolo delle correnti Ca and K nella trasmissione sinaptica afferente del labirinto isolato di rana

The synaptic effect of the blockade of the hair cell Ca- and K-currents has been examined in the isolated frog labyrinth to investigate whether in the presence of Ba (1 mM), TEA (20 mM) or 4-AP (20 mM), the resting receptor discharge frequency could be still modulated by mechanical stimulation (0.1-0.3 Hz; acceleratory peaks of 12.5 and 63.4°/sec2, respectively) and to define the possible link between the resting rate and response to rotation in different units. In normal saline a linear relationship was found between the mean resting discharge and the respective excitatory peak response during sinusoidal stimulation. Consistent evoked responses were also obtained under Ba and TEA treatment which proved to depend linearly on the new mean resting discharge of the units. Conversely, a reduced evoked response was invariably observed in all the fibres tested in the presence of 4-AP. The analysis of the linear equations fitting the experimental data suggests that, when moderate accelerations are used and similar resting rates are considered in normal solution and under Ba or TEA treatment, Ba is more effective than Ca in sustaining the evoked transmitter release. On the other hand, the TEA response was always less consistent than the corresponding one in control solution. The results suggest that the resting discharge provides the different units with the possibility of coding different information in the presence of the same mechanical input. It appears also evident that the safety factor for synaptic transmission should be high. In fact in the presence of Ba or TEA, despite a considerable fraction of the available transmitter pool being spent to sustain the new resting discharge level, the evoked response still increases consistently

Nicotinic EPSCs in intact rat ganglia feature depression except if evoked during intermittent postsynaptic depolarization

The involvement of the postsynaptic membrane potential level in controlling synaptic strength at the ganglionic synapse was studied by recording nicotinic fast synaptic currents (EPSCs) from neurons in the intact, mature rat superior cervical ganglion, using the two-electrode voltage-clamp technique. EPSCs were evoked by 0.05-Hz supramaximal stimulation of the preganglionic sympathetic trunk over long periods; their peak amplitude (or synaptic charge transfer) over time appeared to depend on the potential level of the neuronal membrane where the nicotinic receptors are embedded. EPSC amplitude remained constant (n = 6) only if ACh was released within repeated depolarizing steps of the postganglionic neuron, which constantly varied between -50 and -20 mV in consecutive 10-mV steps, whereas it decreased progressively by 45% (n = 9) within 14 min when the sympathetic neuron was held at constant membrane potential. Synaptic channel activation, channel ionic permeation and depolarization of the membrane in which the nicotinic receptor is localized must occur simultaneously to maintain constant synaptic strength at the ganglionic synapse during low-rate stimulation (0.03-1 Hz). Different posttetanic (20 Hz for 10 s) behaviors were observed depending on the mode of previous stimulation. In the neuron maintained at constant holding potential during low-rate stimulation, the depressed EPSC showed posttetanic potentiation, recovering approximately 23% of the mean pretetanic values (n = 10). The maximum effect was immediate in 40% of the neurons tested and developed over a 3- to 6-min period in the others; thereafter potentiation vanished within 40 min of 0.05-Hz stimulation. In contrast, no statistically significant synaptic potentiation was observed when EPSC amplitudes were kept constant by repeated -50/-20-mV command cycles (n = 12). It is suggested that, under these conditions, posttetanic potentiation could represent an attempt at recovering the synaptic strength lost during inappropriate functioning of the ganglionic synapse

Dynamic properties of the EPSP discharge in the isolated frog labyrinth

The dynamic properties of the posterior afferent synapse were examined in the isolated frog labyrinth. The EPSPs generated at the cyto-neural junction were intracellularly recorded from single fibres of the posterior nerve in the presence of TTX (10-6 M) to prevent afferent spike discharge. Recordings were performed at rest and during long lasting (>1 min) sinusoidal rotations of the canal at constant frequency (0.1 Hz) and at different amplitude (20-220 deg/s) resulting in acceleratory peaks of increasing intensity (7.88-86.68 deg/s2). At rest, the EPSPs are discharged at a considerably high rate (70-400 EPSPs/s) and their frequency consistently increases during the excitatory stimulation (Rossi et al.1977). This fact leads to a high degree of EPSP temporal summation and overlapping which prevents the correct evaluation of their numbers by direct counting techniques. To obtain a reliable estimate of the EPSP amplitude and frequency, at rest and during rotation, the EPSPs were treated as "shot noise". Ideal shot noise is a fluctuating signal produced by the linear summation of uniform elementary events (shots) that occur at random and at a constant mean rate. Theoretical treatment of shot noise states that its power spectrum has the same shape as the spectrum of the shot waveform and that the mean, lambda1, and the variance, lambda2, of the noise are related to the mean shot rate, r, amplitude, h,and waveform w(t), by the equations lambda1.rh2integralew2(t)dt and lambda2rh2integralw2(t)dt (Campbell 1909). However, serious errors arise when these equations are applied to preparations in which: a) the membrane potential is affected by factors other than summation of the unitary events; b) the unitary events do not occur at a stationary rate; c) the unitary events do not sum linearly. At the frog neuromuscular junction, where the shots are the mEPPs, this type of analysis, performed during periods of intense neurosecretion, was based upon the higher semiinvariants of the noise according to the generai relation lambdan==rhnIn (Rice 1944) where In= integralf(w(t))ndt so that, in principle, any pair of semiinvariants can be used to compute r and h. If lambda2 (variance) and lambda3 (skewness) are used, then errors arising from slow, spurious changes in membrane potential are avoided (the parameter "mean" is not considered) and those arising from the non linear summation are greatly reduced (Segal et al. 1985). This method is used here to analyze the properties of the EPSP discharge at the frog cyto-neural junction.The moving average over a suitable time interval (5 s) of the variance and skewness of the noise allows us to measure changes in EPSP frequency during sinusoidal stimulation. The noise power spectrum shows that the unitary event waveform is well fitted by a dimensionless function w(t)=((betat)gamma/gamma(y+1))e-betat, where the parameter y (0.8-1.8) defines the shape of the event , and the parameter beta (800<=beta<=1800 Hz) is a time scale factor. The single shot amplitude remains fairly constant both at rest and during rotation (1.5-4 mV in the different units). During rotatory accelerations stronger than 7.88 deg/s2, the change in EPSP frequency is approximately sinusoidal, indicating that a close functional relationship exists between receptor response and mechanical stimulus. For accelerations of 7.88 deg/s2, the EPSP discharge was often unrelated to the sinusoidal stimulus. The EPSP emission was described by the following parameters: 1) the excitatory and inhibitory peak firing levels during rotation; 2) the mean rates of EPSPs released during the excitatory and inhibitory periods of the sinusoidal cycles. With regard to excitation, in some units a linear relationship was found between stimulus and response. In these linear units the gain was estimated by correlating the EPSP emission rate to the acceleratory peak values; in particular the peak EPSP rate and the average EPSP rate were considered. For the excitatory peak response the gain, computed from the slope of the regression lines and expressed as a percentage of the resting rate was 2.9-5.08/deg.s-2 for the first peak response and 2.25-4.51/deg.s-2 for the mean peak response over several cycles of sinusoidal stimulation. Similarly, the gain of the average EPSP rate during the excitatory phase of the sinusoidal cycle was 1.81-3.11/deg.s-2 for the first cycle and 1.38-2.72/ deg.s-2 over several cycles. This clearly shows that the gain of the whole response is always lower than that of the initial response, which indicates an adaptation of the EPSP discharge. Usually adaptation increases with acceleration and becomes evident during prolonged stimulation. During excitation other units exhibited a non linear intensity function. In these non-linear fibres the initial and the mean peak values of the response were related to the logarithm of acceleration and the slope of the corresponding regression lines was 26.06-155.98/deg.s-2 and 15.96-113.87/deg.s-2 (% of the resting level), respectively. Similarly, the average EPSP rate observed during the first sinusoidal cycle and over the entire duration of the stimulation period was proportional to the logarithm of acceleration giving a slope of 20.61-90.94/deg.s-2 and 10.7- 68.01/deg.s-2, respectively. Here it may be also noted that the slope of the whole response is always lower than that of the initial response. When the same parameters employed to quantify the excitatory response were used to define the EPSP properties during inhibition, it appears that linear and non linear behaviours were also present in the different units. In fact, in some units the decrease of the EPSP rate with respect to the resting level was linearly related to the stimulus intensity. The loss of EPSPs computed from the regression line slope and expressed as percentage of the resting level was 0.3-0.82/deg.s-2 and 0.3-0.72/deg.s-2 for the initial inhibitory peak and for the mean inhibitory peak, respectively. In the same units the average number of EPSPs lost during the inhibitory phase of the first sinusoidal cycle and that over the entire duration of the stimulating period was also linear with respect to acceleration, giving an EPSP loss of 0.35-0.97/deg.s-2 and 0.22-1.07/deg.s-2 , respectively. It is clear that during inhibition the initial and the whole response were similarly affected by acceleration; therefore, the inhibitory mechanism does not show any adaptation. As far as the non linear units were considered, it is clear that the first and the mean inhibitory peaks were proportional to the logarithm of acceleration, and regression analysis gives a slope of 24-25.73/deg.s-2 and 22.92-41.24/deg.s-2, respec tively. Similarly, when the average number of EPSPs lost was considered the slope proved to be 11.1-14.29/ deg.s-2 and 19.24-28.69/deg.s-2 for the first inhibitory cycle and for the whole response, respectively. By examining the properties of the EPSP discharge during rotation (accelerations larger than 30 deg/s2) it becomes evident that, whatever the parameter used to evaluate the magnitude of the response, a marked asymmetry around the resting level is present during excitation and inhibition. The excitatory response,in fact, is systematically larger than its inhibitory counterpart when the canal is subjected to equivalent stimuli of opposite polarity. It was also observed that the excitatory and inhibitory peak responses are usually in phase with the peak angular velocity, thus indicating that at 0.1 Hz the synaptic output from the semicircular canal is directly interpreted by central vestibular neurons as a measure of head velocity. The present results are in line with previous data on the afferent spike discharge (Rossi et al.1986) and suggest that many properties of the afferent response such as asymmetry, adaptation, linear or non linear intensity function are already present in the afferent pathway earlier than at the encoder, and thus are mainly due to the dynamic characteristics of the afferent synapse

Azione del sistema efferente sulla scarica afferente derivata da singole fibre nel labirinto della rana

Il controllo dell'informazione sensoriale che proviene dai recettori dell'orecchio interno si attua a livello periferico tramite fibre efferenti di origine centrale che decorrono nell’VIII nervo unitamente alle fibre afferenti. Nell'epitelio sensoriale dei vertebrati inferiori le terminazioni delle fibre efferenti contraggono rapporti sinaptici con la base delle cellule cigliate in regioni vicine a quelle delle fibre afferenti; nei mammiferi sono state descritte anche fibre efferenti che si congiungono sinapticamente con terminazioni nervose di fibre afferenti. Anche i recettori dell'organo sensoriale della linea laterale dei pesci e degli anfibi, morfologicamente simili a quelli cocleari e vestibolari, ricevono direttamente una innervazione efferente. Le sinapsi efferenti in tutti questi tipi di recettori hanno carattere inibitorio, infatti la loro attivazione provoca una diminuzione della scarica afferente sia spontanea che evocata. Tuttavia il meccanismo con cui il sistema efferente agisce sulle cellule sensoriali é stato studiato in modo adeguato solo a livello degli organi della linea laterale. Prove indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti sia nell'organo sensoriale della linea laterale che in quello della coclea. In una precedente ricerca ci é stato possibile ottenere buone derivazioni endocellulari di EPSPs e potenziali propagati da singole fibre del nervo ampollare del canale posteriore nel labirinto della rana, sia in condizioni dì riposo che di stimolazione rotazionale. Questo ci ha consentito di approfondire lo studio degli effetti dell'attivazione del sistema efferente sulla scarica dei recettori ampollari di questo animale. Inizialmente il ramo ampollare del canale posteriore, staccato dall'VIII nervo, era aspirato in una pipetta che fungeva da elettrodofluido stimolante. La derivazione- endocellulare veniva effettuata tramite microelettrodi di vetro ad elevata impedenza (30 - 40 MΩ) infissi nelle fibre nervose in prossimità delle giunzioni citoneurali. In condizioni di riposo e stato possibile dimostrare che la stimolazione elettrica del nervo ampollare a diverse frequenze (10 - 20 - 30/sec) determinava, accanto all'insorgenza di potenziali antidromici, una diminuzione dell'ampiezza degli EPSPs e della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati. La scarica spontanea diminuiva progressivamente all'aumentare della frequenza di stimolazione, e nella maggior parte delle unità la stimolazione a 50/sec provocava la completa scomparsa di ogni attività afferente. Poiché, con questa disposizione sperimentale venivano stimolate in modo massivo sia le fibre efferenti che quelle afferenti, per escludere che l'arrivo degli impulsi antidromici alle terminazioni nervose afferenti potesse in qualche modo deprimerne l'eccitabilità contribuendo a determinare l'effetto inibitorio osservato, si é cercata una condizione sperimentale che permettesse nel preparato isolato di stimolare le sole fibre efferenti. Siamo partiti dall'ipotesi che almeno una parte delle fibre efferenti potessero dare tramite collaterali rami a più di un canale. Per verificare questa possibilità la branca anteriore dell’VIII nervo, che comprende i rami ampollari dei canali anteriore ed orizzontale, veniva separata dalle rispettive ampolle ed aspirata nell'elettrodo fluido stimolante. Utilizzando le stesse frequenze di stimolazione é risultato subito evidente che era possibile inibire l'attività spontanea sia sottoliminare che propagata nella maggior parte delle fibre del canale posteriore senza osservare la comparsa di potenziali antidromici. L'intensità e l'andamento temporale dell'inibizione erano identici a quelli osservati nelle precedenti condizioni sperimentali. L'effetto inibitorio é apparso in ambedue le condizioni di stimolazione particolarmente intenso esso infatti consentiva non solo di ridurre la scarica spontanea, ma di bloccarla completamente. Inoltre l'inibizione poteva essere mantenuta per lunghi periodi di stimolazione (5-10 sec). Al cessare dello stimolo si è sempre osservato per qualche secondo nelle fibre impalate un aumento notevole della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati rispetto a quella derivata in condizioni di riposo. La frequenza di questa scarica postinibitoria cresceva in funzione della durata della stimolazione. La possibilità di attivare estesamente il sistema efferente di un canale stimolando i rami ampollari degli altri canali dimostra che molte delle fibre efferenti sono comuni ai diversi organi di uno stesso labirinto. Inoltre l’inibizione completa che si può ottenere nella maggior parte delle unità dimostra come questo tipo di innervazione efferente sia funzionalmente molto efficace. La mancanza di potenziali antidromici nelle fibre impalate tende invece ad escludere che esista una ramificazione notevole delle fibre afferenti. La possibilità di attivare il sistema efferente in modo da ottenere inibizioni così intense e durature dell'attività spontanea ci hanno indotto a verificarne l'efficacia sulla risposta evocata dei recettori ampollari. A tale scopo il labirinto isolato era collocato sul piano di una apposita tavola rotante che consentiva di ottenere derivazioni endocellulari durante rotazioni controllate. Il canale posteriore da cui erano ottenute le derivazioni era orientato sul piano di rotazione in modo da essere stimolato elettivamente. La stimolazione rotazionale consisteva in variazioni sinusoidali di velocità (10-110 deg/s) alla frequenza di 0.1 Hz, sovrapposte ad una rotazione a velocità costante (60 deg/s). La stimolazione elettrica delle fibre efferenti si rivelava in grado di bloccare in modo completo, nella maggior parte delle unità. La risposta evocata dalla fase di accelerazione della sinusoide. Inoltre in alcune unità era possibile mantenere l’inibizione della scarica afferente per più di un ciclo di stimolazione. Il massimo effetto inibitorio sulla risposta evocata, così come sull’attività spontanea, si otteneva stimolando le fibre efferenti con frequenze attorno ai 50/s. In esperimenti successivi abbiamo voluto verificare la natura del mediatore chimico del sistema efferente. Come è già stato precedentemente ricordato si ritiene che in strutture morfologicamente simili all’apparato vestibolare della rana, la trasmissione a livello delle sinapsi efferenti sia mediata dall'acetilcolina. Questa possibilità é stata indagata studiando sia l'effetto della stimolazione delle fibre efferenti in presenza di curaro che l'azione dell'acetilcolina sulla scarica dei recettori ampollari. L'aggiunta al bagno di curaro in concentrazione 10-6 M rendeva già dopo pochi minuti completamente inefficace la stimolazione delle fibre efferenti sull'attività afferente. Per quanto riguarda l'acetilcolina, nell'impossibilità tecnica di applicare iontoforeticamente la sostanza alle sinapsi efferenti data la loro inaccessibilità, essa veniva aggiunta al bagno. Concentrazioni molto elevate di acetilcolina (10-2 M) provocavano una rapida e consistente diminuzione della scarica afferente, simile a quella pro¬dotta dall'attivazione del sistema efferente, dopo qualche secondo la frequenza di scarica tornava ai valori normali; tuttavia se l'acetilcolina a questa concentrazione veniva lasciata ulteriormente a contatto con il preparato si osservava una progressiva ed irreversibile scomparsa di ogni attività probabilmente dovuta ad un effetto aspecifico della sostanza. In presenza di acetilcolina 10 -4 M non si notava invece alcuna diminuzione della scarica dei recettori, ma dopo qualche minuto si poteva osservare la soppressione completa dell'inibizione evocata dalla stimolazione elettrica delle fibre efferenti. Questa scomparsa si può interpretare come dovuta ad un fenomeno di desensibilizzazione dei recettori colinergici che probabilmente é favorito dalla modalità con cui l'acetilcolina é stata da noi applicata. Infatti l'acetilcolina aggiunta al bagno può trovare delle barriere di diffusione rappresentate dalle guaine connettivali del nervo e della parete del canale e giungere ai recettori colinergici in concentrazione tale da non attivarne contemporaneamente un numero sufficiente a determinare un effetto inibitorio osservabile sulla scarica afferente. Tuttavia il lungo tempo di permanenza della sostanza a livello delle sinapsi efferenti, anche se in concentrazione non adeguata a produrre l'effetto inibitorio, potrebbe provocare una desensibilizzazione permanente dei recettori colinergici. Queste prove farmacologiche, pur se indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti che innervano i canali semicircolari. Esistono prove attendibili che fibre che appartengono al sistema efferente inibitorio negli organi vestibolari della rana fanno parte di un circuito neuronico di feedback, infatti le fibre afferenti che provengono da un dato organo labirintico possono porsi in sinapsi con neuroni centrali localizzati nel lobo auricolare del cervelletto e nei nuclei vestibolari; gli assoni di questi neuroni ritornano alla periferia e si mettono in sinapsi con le cellule sensoriali dello stesso organo esercitando su di esse un effetto inibitorio. I nostri esperimenti hanno messo in evidenza una estesa ramificazione delle fibre efferenti così che una singola fibra può mandare collaterali a tutti e tre i canali semicircolari. Quindi il sistema efferente, od almeno una parte di esso, ha un carattere diffuso e consente ai centri nervosi di esercitare un controllo globale sull'informazione sensoriale che proviene dall'intero labirinto. Non deve essere dimenticato infine che per l'intensità con cui può frenare le risposte agli stimoli, il sistema efferente inibitorio potrebbe essere un fattore determinante nell'adattamento della scarica dei recettori ampollari

Controllo centrifugo della scarica dei recettori ampollari nel labirinto isolato di rana

I recettori labirintici della rana possiedono una innervazione efferente di natura inibitoria. Infatti, la scarica di EPSPs e potenziali d'azione, derivata alle giunzioni citoneurali del canale posteriore del labirinto isolato sia in condizioni di riposo che di stimolazione rotatoria, viene ridotta o abolita dalla stimolazione a frequenze crescenti (10-200/sec) sia dell'estremità distale dello stesso nervo che dei monconi centrali dei nervi dei canali anteriore ed orizzontale. La completa inibizione della scarica afferente, sia spontanea che evocata, può essere mantenuta per 5-10 secondi ed é seguita da una scarica postinibitoria la cui frequenza é positivamente correlata alla durata del periodo di stimolazione. L’effetto inibitorio viene abolito in modo selettivo da: 1) curaro (10 -6 M ; 2) ACh e carbacolo (10-4 M); 3) aumento della concentrazione esterna del K+ (10 mM) o diminuzione della concentrazione esterna del Cl- (< 25 mKM; 4) degenerazione delle fibre efferenti. Questi risultati dimostrano che esiste un elevato grado di ramificazione delle fibre efferenti nella parte prossimale dell’VIII nervo con il risultato che una singola fibra, tramite collaterali, può controllare l'attività di recettori situati nelle creste ampollari dei tre canali semicircolari. Il controllo inibitorio é probabilmente sostenuto dalla liberazione alla sinapsi efferente di ACh, che agisce sulla membrana delle cellule sensoriali aumentando la conduttanza al K+ ed al Cl -. In certe unità lo stesso tipo di stimolazione produce, invece della inibizione, un aumento della frequenza degli EPSPs e dei potenziali d'azione. Tale facilitazione non é influenzata dalle sostanze e dalle modificazioni ioniche che bloccano la sinapsi inibitoria, ma scompare dopo degenerazione delle fibre efferenti. Questo effetto può essere spiegato o ammettendo la presenza di sinapsi efferenti facilitatorie o più semplicemente come conseguenza dell'accumulo di K+ negli spazi extracellulari in seguito alla innaturale stimolazione sincrona di un elevato numero di fibre ad elevata frequenza

Quantal nature of synaptic transmission at the cytoneural junction in the frog labyrinth.

1. The mechanism of transmitter release at the cytoneural junction of the frog posterior canal was investigated by recording intracellularly subthreshold postsynaptic potentials (EPSPs), and performing a statistical analysis of time intervals and peak amplitudes. In single units EPSPs display highly variable size, so it is not clear whether they are generated by the release of single quanta of transmitter and whether large ones represent giant events, multiquantal events, or the random summation of independent unitary events. 2. In units with low resting EPSP rates, peak amplitudes and time intervals between EPSPs were measured directly. Peak amplitude histograms were continuous, unimodal and well fitted by log normal distributions. Time-interval histograms were well described by single exponentials. 3. At high EPSP rates (either at rest or during experimental treatments), where single events overlapped extensively, peak amplitude histograms were skewed markedly towards high values. Under these conditions, the EPSP waveform was estimated by autoregressive fit to the autocorrelation of the recorded signal. The fit was used to build a Wiener filter, for sharpening the original signal, before computing time-interval and peak amplitude histograms. This yielded consistent log normal peak amplitude distributions with no 'excess' skewness, similar to those obtained with low resting rates. 4. After sharpening by the Wiener filter, shoulders or small second peaks in amplitude distributions were observed only at the highest EPSP rates (> 300 s1). The number of 'multiquantal' events was reduced by Wiener filtering, and was in general consistent with the expectation that more than one independent event occurred within the duration of the single event. This suggests that the events are uniquantal, random and independent, i.e. miniature EPSPs (mEPSPs). 5. In general, peak amplitude distributions obtained with modified external Ca21 concentration ([Ca2+]0) and/or during mechanical stimulation or under efferent activation were not significantly altered with respect to those obtained in the same units at rest. Time-interval histograms were generally mono-exponential at rest as well as during mechanical or efferent stimulation, and irrespective of [Ca2+]0. Resting mEPSP rate was slightly increased by elevated [Ca2+]O and reduced by low [Ca21].. The increase in mEPSP rate produced by mechanical excitation was depressed by both high and low [Ca21]., whereas both conditions enhanced mechanical inhibition. Efferent inhibition was little affected. High [Ca2+]0 hastened adaptation during efferent facilitation. Low [Ca2+]0 reduced peak response during facilitation, but suppressed its waning. 6. In the presence of ATP a consistent though transient increase in resting mEPSP rate was observed in about 50% of units. ATP effect was absent in all fibres where efferent stimulation produced inhibition and present in all fibres under facilitatory efferent control. In these fibres, efferent facilitation, measured after the effect of ATP had vanished, was reduced with respect to facilitation in control solution. The effects of ATP were mimicked by its analogue adenosine-5'-0-3-thiotriphosphate (ATP-y-S)