Neuronal Wiring: Linking Dendrite Placement to Synapse Formation

SummaryUnderstanding the processes that drive the formation of synapses between specific neurons within a circuit is critical to understanding how neural networks develop. A new study of synapse formation between motor neurons and pre-synaptic partners highlights the importance of dendrite placement

Hierarchy of neural organization in the embryonic spinal cord: Granger-causality graph analysis of in vivo calcium imaging data

The recent development of genetically encoded calcium indicators enables monitoring in vivo the activity of neuronal populations. Most analysis of these calcium transients relies on linear regression analysis based on the sensory stimulus applied or the behavior observed. To estimate the basic properties of the functional neural circuitry, we propose a network-based approach based on calcium imaging recorded at single cell resolution. Differently from previous analysis based on cross-correlation, we used Granger-causality estimates to infer activity propagation between the activities of different neurons. The resulting functional networks were then modeled as directed graphs and characterized in terms of connectivity and node centralities. We applied our approach to calcium transients recorded at low frequency (4 Hz) in ventral neurons of the zebrafish spinal cord at the embryonic stage when spontaneous coiling of the tail occurs. Our analysis on population calcium imaging data revealed a strong ipsilateral connectivity and a characteristic hierarchical organization of the network hubs that supported established propagation of activity from rostral to caudal spinal cord. Our method could be used for detecting functional defects in neuronal circuitry during development and pathological conditions

Pkd2l1 is required for mechanoception in cerebrospinal fluid-contacting neurons and maintenance of spine curvature

Defects in cerebrospinal fluid (CSF) flow may contribute to idiopathic scoliosis. However, the mechanisms underlying detection of CSF flow in the central canal of the spinal cord are unknown. Here we demonstrate that CSF flows bidirectionally along the antero-posterior axis in the central canal of zebrafish embryos. In the cfap298tm304 mutant, reduction of cilia motility slows transport posteriorly down the central canal and abolishes spontaneous activity of CSF-contacting neurons (CSF-cNs). Loss of the sensory Pkd2l1 channel nearly abolishes CSF-cN calcium activity and single channel opening. Recording from isolated CSFcNs in vitro, we show that CSF-cNs are mechanosensory and require Pkd2l1 to respond to pressure. Additionally, adult pkd2l1 mutant zebrafish develop an exaggerated spine curvature, reminiscent of kyphosis in humans. These results indicate that CSF-cNs are mechanosensory cells whose Pkd2l1-driven spontaneous activity reflects CSF flow in vivo. Furthermore, Pkd2l1 in CSF-cNs contributes to maintenance of natural curvature of the spine

The mesencephalic locomotor region recruits V2a reticulospinal neurons to drive forward locomotion in larval zebrafish

The mesencephalic locomotor region (MLR) is a brain stem area whose stimulation triggers graded forward locomotion. How MLR neurons recruit downstream vsx2+ (V2a) reticulospinal neurons (RSNs) is poorly understood. Here, to overcome this challenge, we uncovered the locus of MLR in transparent larval zebrafish and show that the MLR locus is distinct from the nucleus of the medial longitudinal fasciculus. MLR stimulations reliably elicit forward locomotion of controlled duration and frequency. MLR neurons recruit V2a RSNs via projections onto somata in pontine and retropontine areas, and onto dendrites in the medulla. High-speed volumetric imaging of neuronal activity reveals that strongly MLR-coupled RSNs are active for steering or forward swimming, whereas weakly MLR-coupled medullary RSNs encode the duration and frequency of the forward component. Our study demonstrates how MLR neurons recruit specific V2a RSNs to control the kinematics of forward locomotion and suggests conservation of the motor functions of V2a RSNs across vertebrates. Carbo-Tano and colleagues investigate the mesencephalic locomotor region in larval zebrafish and its role in triggering forward locomotion by activating specific sets of hindbrain V2a reticulospinal neurons

Large expert-curated database for benchmarking document similarity detection in biomedical literature search

Document recommendation systems for locating relevant literature have mostly relied on methods developed a decade ago. This is largely due to the lack of a large offline gold-standard benchmark of relevant documents that cover a variety of research fields such that newly developed literature search techniques can be compared, improved and translated into practice. To overcome this bottleneck, we have established the RElevant LIterature SearcH consortium consisting of more than 1500 scientists from 84 countries, who have collectively annotated the relevance of over 180 000 PubMed-listed articles with regard to their respective seed (input) article/s. The majority of annotations were contributed by highly experienced, original authors of the seed articles. The collected data cover 76% of all unique PubMed Medical Subject Headings descriptors. No systematic biases were observed across different experience levels, research fields or time spent on annotations. More importantly, annotations of the same document pairs contributed by different scientists were highly concordant. We further show that the three representative baseline methods used to generate recommended articles for evaluation (Okapi Best Matching 25, Term Frequency-Inverse Document Frequency and PubMed Related Articles) had similar overall performances. Additionally, we found that these methods each tend to produce distinct collections of recommended articles, suggesting that a hybrid method may be required to completely capture all relevant articles. The established database server located at https://relishdb.ict.griffith.edu.au is freely available for the downloading of annotation data and the blind testing of new methods. We expect that this benchmark will be useful for stimulating the development of new powerful techniques for title and title/abstract-based search engines for relevant articles in biomedical research.Peer reviewe

Dynamique de l'activité spontanée dans des réseaux de neurones hippocampiques d'architecture contrôlée en culture

De l’activité électrique spontanée est observée dans de nombreuses structures cérébrales. Elle pourrait intervenir avant l’expérience sensorielle dans la formation des patrons de connexions des réseaux immatures, et chez l’adulte dans le traitement de l’information sensorielle. La contribution des mécanismes synaptiques et des propriétés de réseaux dans la dynamique de l’activité spontanée est difficile à déterminer dans les préparations classiques où l’activité et la connectivité ne sont être connues pour plus de deuxneurones. Dans ces systèmes, les relations entre l’architecture fonctionnelle des réseaux neuronaux et la dynamique de leur activité spontanée ne peuvent pas non plus être déterminées. C’est pour explorer les mécanismes d’initiation et de persistance et le rôle de l’architecture fonctionnelle dans l’activité spontanée que nous avons mis au point une approche de culture où l’architecture des réseaux de neurones hippocampiques est contrôlée par traitement des surfaces d’adhésion (Chapitre I). Cette approche permet de produire des réseaux dont l’architecture est définie par le nombre total et la position des neurones. L’activité spontanée a été mesurée par la technique de patch clamp en configuration cellule attachée qui permet de suivre l’activité d’un ou deux neurones avec une résolution inférieure à 1ms, et en imagerie de fluorescence avec la sonde Fura-2 liant le calcium (et qui pénètre dans les cellules sous sa forme AM), qui permet de suivre l’activité de tous les neurones d’un réseau simultanément avec une résolution de 50ms (Chapitre II). Dans le Chapitre III, j’ai montré que la libération spontanée de glutamate aux synapses permet l’initiation de l’activité spontanée dans des réseaux de neurones glutamatergiques en culture. Le premier potentiel d’action d’une bouffée est déclenché par un évènement miniature (mEPSP) de grande amplitude ou par sommation d’évènements multiples. La persistance de l’activité à basse fréquence dans le modèle de réseau excitateur ultra-synchrone qu’est l’autapse glutamatergique repose sur des composantes synaptiques lentes. Le récepteur NMDA, une lente dépolarisation dépendant du calcium résiduel (assimilé à I CAN) et la libération asynchrone de glutamate contribuent au maintien de l’activité à basse fréquence. Dans les réseaux pluricellulaires, le maintien de l’activité est permis par des composantes synaptiques lentes et des mécanismes de réverbération de l’excitation. La structure fonctionnelle d’un réseau est définie par le nombre de neurones, la présence de neurones inhibiteurs et la distance entre neurones qui est associée à une probabilité de connectivité moyenne. Nous avons cherché l’incidence de ces 3 paramètres sur plusieurs aspects de la dynamique de l’activité spontanée (Chapitre IV). Un réseau de neurones purement excitateur n’exprime que des bouffées de potentiels d’action séparées qui sont synchrones pour tous les neurones du réseau. En revanche, les profils de décharge des neurones et les états d’activation macroscopiques du réseau deviennent complexes en présence de neurones inhibiteurs. Dans les réseaux comprenant un neurone inhibiteur au moins, les assemblées de neurones synchrones sont constituées par des neurones excitateurs fortement connectés et se ségréguent grâce aux neurones GABAergiques. Les neurones GABAergiques ont donc plusieurs actions sur l’activité des neurones glutamatergiques : à l’échelle du réseau, ils diminuent le niveau d’activité et la "synchronisation" globale des neurones excitateurs ; localement, ils entraînent une segmentation des assemblées de neurones synchrones. En conclusion, nous avons pu grâce aux réseaux de neurones d’architecture contrôlée décrire de nouveaux mécanismes déterminant la dynamique de l’activité spontanée. Ces petits réseaux constituent un nouvel outil d’étude des mécanismes reliant activité électrique et développement. Le couplage réussi de la lithographie avec les multi-électrodes (Multi-Electrodes Arrays, MEAs) permet d’envisager prochainement l’enregistrement d’unités uniques avec une bonne résolution temporelle et sur plusieurs semaines in vitro

Dynamic of spontaneous activity in neuronal networks of controlled architecture in vitro

De l'activité électrique spontanée est observée dans de nombreuses structures cérébrales. C'est pour explorer les mécanismes d'initiation et de persistance et le rôle de l'architecture fonctionnelle dans l'activité spontanée que nous avons mis au point unPas de résum

Title Taking a big step towards understanding locomotion Authors list

International audienceLocomotion is generated by intrinsically oscillating circuits in the spinal cord that are modulated by information from the brain and periphery. In their seminal 1987 publication, Buchanan and Grillner provided for the first time evidence for excitatory spinal neurons receiving inputs from descending commands and sensory afferents, and synapsing onto motoneurons and commissural inhibitory interneurons. These critical findings established the circuit model for central pattern generators incorporating excitatory interneurons’ role in the rhythm-production mechanism