Bidirectional communication between the pontine nucleus incertus and the medial septum is carried out by electrophysiologically-distinct neuronal populations

Theta oscillations are key brain rhythm involved in memory formation, sensorimotor integration, and control of locomotion and behavioral states. Generation and spatiotemporal synchronization of theta oscillations rely on interactions between brain nuclei forming a large neural network, which includes pontine nucleus incertus (NI). Here we identified distinct populations of NI neurons, based on the relationship of their firing to hippocampal waves, with a special focus on theta oscillations, and the direction and type of interaction with the medial septum (MS) in male, urethane-anesthetized rats. By recording NI neuronal firing and hippocampal LFP, we described NI neurons that fire action potentials in a theta phase-independent or theta phase-locked and delta wave-independent or delta wave-locked manner. Among hippocampal activity-independent NI neurons, irregular, slow-firing, and regular, fast-firing cells were observed, while hippocampal oscillation-/wave-locked NI neurons were of a bursting or nonbursting type. By projection-specific optotagging, we revealed that only fast-firing theta phase-independent NI neurons innervate the MS, rarely receiving feedback information. In contrast, the majority of theta-bursting NI neurons were inhibited by MS stimulation, and this effect was mediated by direct GABAergic input. Described NI neuronal populations differ in reciprocal connections with the septohippocampal system, plausibly forming separate neuronal loops. Our results suggest that theta phase-independent NI neurons participate in theta rhythm generation through direct innervation of the MS, while theta-bursting NI neurons further transmit the rhythmic signal received from the MS to stabilize and/or strengthen rhythmic activity in other structures. SIGNIFICANCE STATEMENT The generation and spatiotemporal synchronization of theta oscillations rely on interactions between nuclei forming a large neural network, part of which is the pontine nucleus incertus (NI). Here we describe that within NI there are populations of neurons that can be distinguished based on the relationship of their firing to hippocampal theta oscillations and delta waves. We show that these neuronal populations largely do not have reciprocal connections with the septohippocampal system, but form separate neuronal loops. Our results suggest that medial septum (MS)-projecting, fast-firing, theta phase-independent NI neurons may participate in theta rhythm generation through direct innervation of the MS, while theta-bursting NI neurons may further transmit the rhythmic signal received from the MS to other structures

"Effects of maternal separation on LTP in the CA1 area of the rat hippocampus"

W wyniku zadziałania bodźca stresowego aktywowana zostaje część współczulna autonomicznego układu nerwowego oraz oś podwzgórze – przysadka – nadnercza (oś PPN). Rolą tych układów jest przywrócenie homeostazy organizmu. Jednak chroniczna aktywacja osi PPN ma szkodliwy wpływ na funkcjonowanie mózgu. Separacja od matki (ang. maternal separation; MS) jest powszechnie stosowaną procedurą w badaniach dotyczących wpływu stresu pojawiającego się na wczesnym etapie życia postnatalnego na funkcjonowanie dorosłego organizmu. Słabo poznany jest wpływ MS na plastyczność synaptyczną. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (ang. long-term potentiation; LTP) charakteryzuje się wzmocnieniem siły połączeń synaptycznych, a stres, zarówno ostry jak i chroniczny, może wpływać na jego indukcję. Celem niniejszej pracy było sprawdzenie, czy MS wpływa na LTP w polu CA1 hipokampa szczura oraz czy ten rodzaj stresu modyfikuje udział komponenty receptora N-metylo-D-asparaginowego (ang. N-methyl-D-aspartate; NMDA) w rejestrowanych potencjałach polowych.Szczury były poddawane separacji od matki od 1 do 21 dnia postnatalnego (ang. postnatal day; PND) przez 3 godziny dziennie. W PND 42-60 przeprowadzano eksperymenty elektrofizjologiczne ex vivo. Rejestrowano potencjały polowe ze skrawków czołowych pozyskanych od zwierząt kontrolnych oraz poddawanych procedurze MS. Część rejestracji przeprowadzono w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym (ang. artificial cerebro-spinal fluid; ACSF) zawierającym 1 mM Mg2+, a część w niskim stężeniu jonów magnezu (0,1 mM Mg2+). LTP indukowano stosując stymulację o wysokiej częstotliwości. Udział komponenty NMDA badano w obecności antagonisty receptora α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowego (ang. α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid; AMPA), 2,3,-dihydroxy-6-nitro-7-sulfamoyl-benzo[f]quinoxaline-2,3-dione (NBQX).Separacja od matki nie wpływa w sposób istotny statystycznie na podstawową transmisję synaptyczną. Wykazano, że w warunkach z 1 mM Mg2+ nie ma istotnych różnic w LTP pomiędzy grupą kontrolną (190,12% ± 16,43%; n = 10) i stresowaną (164,19% ± 8,06%; n = 9). Różnice zaobserwowano, kiedy obniżono stężenie jonów magnezu w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym. U zwierząt kontrolnych nachylenie fazy zstępującej rejestrowanych potencjałów po indukcji LTP wzrosło o 62,95% ± 5,67% (n = 12), natomiast u zwierząt poddanych procedurze MS zaledwie o 14,21% ± 9,36% (n = 9). Wpływ separacji od matki na LTP jest zależny od stężenia jonów magnezu w ACSF. Zastosowanie NBQX pokazało, że udział komponenty NMDA w rejestrowanych potencjałach nie uległ zmianie.Stressful events lead to activation of the sympathetic system and the hypothalamic – pituitary – adrenal (HPA) axis. It leads to restore the homeostasis of the organism. However, chronic activation of the HPA axis exerts deleterious effects on the brain functions. The maternal separation (MS) is widely used paradigm to study the impact of early life stress on adult life. The effect of MS on synaptic plasticity is poorly understood. Long-term potentiation (LTP) is characterized by the enhancement of the synaptic strength. Acute and chronic stressors can influence the induction of the LTP. The aim of this study was to investigate if MS affects the LTP in the CA1 area of the rat hippocampus and if this kind of stress impacts the NMDA (N-methyl-D-aspartate) contribution in the field potentials.Rats were subjected to maternal separation from postnatal days (PND) 1-21 for 3 h/day. At PND 42-60 the electrophysiological experiments were conducted. The field excitatory postsynaptic potentials (fEPFPs) were recorded from coronal slices obtained from control animals and from animals subjected to MS. Part of the registration were done in the artificial cerebrospinal fluid (ACSF) with 1 mM of Mg2+ and the others in low concentration (0,1 mM Mg2+). LTP was induced by high-frequency stimulation. By administration of AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid), receptor antagonist (2,3,-dihydroxy-6-nitro-7-sulfamoyl-benzo[f]quinoxaline-2,3-dione; NBQX) the contribution of NMDA was checked.Maternal separation do not impact the basal synaptic transmission in statistical relevant way. In conditions with 1 mM of Mg2+ there are no significant differences in LTP between the control group (190,12% ± 16,43%; n = 10) and the stressed one (164,19% ± 8,06%; n = 9). Differences were observed when the concentration of magnesium ions was lower. The magnitude of the fEPSPs after LTP induction rises by 62,95% ± 5,67% (n = 12) in control slices and by barely 14,21% ± 9,36% (n = 9) in slices from MS animals. Thus, the effect of maternal separation on LTP depends on the concentration of Mg2+. Administration of NBQX revealed that the contribution of NMDA component in field potentials do not undergo any changes

Long-term effects of maternal separation on the brain physiology of the adult offspring.

Autonomiczny układ współczulny oraz oś podwzgórze – przysadka – nadnercza pomagają organizmowi przywrócić wewnętrzną homeostazę, która może być zakłócona przez działanie różnych bodźców stresowych. Po zdziałaniu stresora następuje aktywacja osi PPN. Komórki jądra przykomorowego podwzgórza syntetyzują kortykoliberynę oraz wazopresynę, które stymulują przedni płat przysadki do wydzielania hormonu adrenokortykotropowego. Hormon ten poprzez działanie na receptory w korze nadnerczy powoduje zwiększone wydzielanie glikokortykoidów, które z kolei mają swoje receptory w strukturach mózgowych. Oś PPN jest regulowana poprzez mechanizmy ujemnego sprzężenia zwrotnego na trzech drogach: szybkiej, pośredniej i opóźnionej.W rozwoju młodych gryzoni można zaobserwować charakterystyczny okres zmniejszonej wrażliwości na stres. Występuje w trakcie pierwszych dwóch tygodni życia i cechuje się brakiem reakcji osi podwzgórze – przysadka – nadnercza na stres. Ważnym czynnikiem utrzymującym ten stan jest opieka matki. W badaniach zakłóca się SHRP poprzez rozdzielenie matki od potomstwa. Wyróżnia się dwa modele trudnych warunków dorastania. Jeden z nich to wczesna deprywacja, polegająca na odizolowaniu młodego zwierzęcia od matki i reszty miotu, a drugi to separacja matczyna, w której to samica jest zabierana z gniazda. Procedury te wywołują wiele skutków w dorosłym życiu.Modele wczesnożyciowego stresu wpływają m.in. na fizjologię osi PPN, powodując jej aktywację nawet w trakcie okresu mniejszej wrażliwości. Zmieniona reaktywność u zwierząt poddawanych procedurze separacji ma prawdopodobnie związek z zaburzeniami w zachowaniu. Wpływ nieobecności samicy widoczny jest także w fizjologii niektórych strukturach mózgowych. Separacja powoduje deficyty neuronalne w hipokampie, co skutkuje zakłóceniami procesów pamięci i uczenia się. W ciele migdałowatym z kolei obserwowana jest zwiększona aktywność, która prowadzi w konsekwencji do zaburzeń emocjonalnych. Inną strukturą układu limbicznego, w której obserwowane są zmiany po przeprowadzeniu procedury separacji, jest kora przedczołowa. Zmiany w tym rejonie mózgu przejawiają się w występowaniu zachowań lękowych. Poprzez wpływ trudnych warunków dorastania na fizjologię jądra półleżącego oraz brzusznego pola nakrywki, zwierzęta są bardziej narażone na uzależnienia.Wczesna deprywacja i separacja matczyna wywołują wiele skutków w fizjologii młodych zwierząt. Zmiany te mogą się utrzymywać do okresu dojrzałości. Podobne obserwacje udokumentowano u ludzi. Traumy z wczesnego dzieciństwa mogą mieć poważne konsekwencje w dorosłym życiu i prowadzić do zaburzeń emocjonalnych lub psychicznych. Zmiany w mózgach takich pacjentów są bardzo podobne to tych obserwowanych na modelach zwierzęcych.The hypothalamic – pituitary – adrenal (HPA) axis is a very important system of response to stress. Its activation leads to secretion of corticotrophin – releasing hormone from neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus. Then the anterior lobe of the pituitary gland releases adrenocorticotropic hormone, which acts on receptors in the adrenal cortex. As a result, glucocorticoids are released, affecting many places in the organism and also inhibiting further secretion of CRH and ACTH by acting through negative feedback.Neonatal rodents exhibit a ‘stress hyporesponsive period’ (SHRP) during the first two weeks of their life. During this time responsiveness for stress is reduced and an increased secretion of ACTH and CORT cannot be observed. This hyporesponsiveness is sustained by maternal care, so any disruptions in mother – infant interaction can influence pup’s physiology. There are two different models of early adversity. In early deprivation pups are isolated individually and in maternal separation the dam is taken to a novel cage, while pups stay at home nest. This procedure is very stressful and can cause many long-term effects.After separation pups have higher level of adrenocorticotropic hormone and corticotrophin in the plasma, even though they are in their SHRP. This procedure affects also limbic structures. In hippocampus, there are observed deficits in number of cells, which may lead to disrupted learning and memory. Physiological changes in amygdala cause dysfunctions in emotional and social behaviors. Increased anxiety behavior is a result of alterations in prefrontal cortex. Early adversity can trigger higher drug intake through action on nucleus accumbens and ventral tegmental area.Early deprivation and maternal separation produce many changes in the brain’s physiology. This alterations are similar to those seen in patients with anxiety and depressive disorders after severe childhood stress

Functional neuroanatomy of the rat nucleus incertus–medial septum tract : implications for the cell-specific control of the septohippocampal pathway

The medial septum (MS) is critically involved in theta rhythmogenesis and control of the hippocampal network, with which it is reciprocally connected. MS activity is influenced by brainstem structures, including the stress-sensitive, nucleus incertus (NI), the main source of the neuropeptide relaxin-3 (RLN3). In the current study, we conducted a comprehensive neurochemical and electrophysiological characterization of NI neurons innervating the MS in the rat, by employing classical and viral-based neural tract-tracing and electrophysiological approaches, and multiplex fluorescent in situ hybridization. We confirmed earlier reports that the MS is innervated by RLN3 NI neurons and documented putative glutamatergic (vGlut2 mRNA-expressing) neurons as a relevant NI neuronal population within the NI–MS tract. Moreover, we observed that NI neurons innervating MS can display a dual phenotype for GABAergic and glutamatergic neurotransmission, and that 40% of MS-projecting NI neurons express the corticotropin-releasing hormone-1 receptor. We demonstrated that an identified cholecystokinin (CCK)-positive NI neuronal population is part of the NI–MS tract, and that RLN3 and CCK NI neurons belong to a neuronal pool expressing the calcium-binding proteins, calbindin and calretinin. Finally, our electrophysiological studies revealed that MS is innervated by A-type potassium current-expressing, type I NI neurons, and that type I and II NI neurons differ markedly in their neurophysiological properties. Together these findings indicate that the MS is controlled by a discrete NI neuronal network with specific electrophysiological and neurochemical features; and these data are of particular importance for understanding neuronal mechanisms underlying the control of the septohippocampal system and related behaviors