The synaptotoxic Aβ protein aggregates in the brains of individuals with Alzheimer's disease. Dennis Selkoe and his colleagues identify the size of the Aβ aggregate in the brains of individuals with Alzheimer's disease that is responsible for the deficits of learning and memory that characterize the disease. Alzheimer's disease constitutes a rising threat to public health. Despite extensive research in cellular and animal models, identifying the pathogenic agent present in the human brain and showing that it confers key features of Alzheimer's disease has not been achieved. We extracted soluble amyloid-β protein (Aβ) oligomers directly from the cerebral cortex of subjects with Alzheimer's disease. The oligomers potently inhibited long-term potentiation (LTP), enhanced long-term depression (LTD) and reduced dendritic spine density in normal rodent hippocampus. Soluble Aβ from Alzheimer's disease brain also disrupted the memory of a learned behavior in normal rats. These various effects were specifically attributable to Aβ dimers. Mechanistically, metabotropic glutamate receptors were required for the LTD enhancement, and N-methyl D-aspartate receptors were required for the spine loss. Co-administering antibodies to the Aβ N-terminus prevented the LTP and LTD deficits, whereas antibodies to the midregion or C-terminus were less effective. Insoluble amyloid plaque cores from Alzheimer's disease cortex did not impair LTP unless they were first solubilized to release Aβ dimers, suggesting that plaque cores are largely inactive but sequester Aβ dimers that are synaptotoxic. We conclude that soluble Aβ oligomers extracted from Alzheimer's disease brains potently impair synapse structure and function and that dimers are the smallest synaptotoxic species.

Alzheimer's disease (AD) is characterized by decreased synapse density in hippocampus and neocortex, and synapse loss is the strongest anatomical correlate of the degree of clinical impairment. Although considerable evidence supports a causal role for the amyloid-β protein (Aβ) in AD, a direct link between a specific form of Aβ and synapse loss has not been established. We demonstrate that physiological concentrations of naturally secreted Aβ dimers and trimers, but not monomers, induce progressive loss of hippocampal synapses. Pyramidal neurons in rat organotypic slices had markedly decreased density of dendritic spines and numbers of electrophysiologically active synapses after exposure to picomolar levels of soluble oligomers. Spine loss was reversible and was prevented by Aβ-specific antibodies or a small-molecule modulator of Aβ aggregation. Mechanistically, Aβ-mediated spine loss required activity of NMDA-type glutamate receptors (NMDARs) and occurred through a pathway involving cofilin and calcineurin. Furthermore, NMDAR-mediated calcium influx into active spines was reduced by Aβ oligomers. Partial blockade of NMDARs by pharmacological antagonists was sufficient to trigger spine loss. We conclude that soluble, low- n oligomers of human Aβ trigger synapse loss that can be reversed by therapeutic agents. Our approach provides a quantitative cellular model for elucidating the molecular basis of Aβ-induced neuronal dysfunction.

Laser scanning microscopy is a powerful tool for analyzing the structure and function of biological specimens. Although numerous commercial laser scanning microscopes exist, some of the more interesting and challenging applications demand custom design. A major impediment to custom design is the difficulty of building custom data acquisition hardware and writing the complex software required to run the laser scanning microscope. We describe a simple, software-based approach to operating a laser scanning microscope without the need for custom data acquisition hardware. Data acquisition and control of laser scanning are achieved through standard data acquisition boards. The entire burden of signal integration and image processing is placed on the CPU of the computer. We quantitate the effectiveness of our data acquisition and signal conditioning algorithm under a variety of conditions. We implement our approach in an open source software package (ScanImage) and describe its functionality. We present ScanImage, software to run a flexible laser scanning microscope that allows easy custom design.

Abstract

 Spine Ca²⁺ is critical for the induction of synaptic plasticity, but the factors that control Ca²⁺ handling in dendritic spines under physiological conditions are largely unknown. We studied [Ca²⁺] signaling in dendritic spines of CA1 pyramidal neurons and find that spines are specialized structures with low endogenous Ca²⁺ buffer capacity that allows large and extremely rapid [Ca²⁺] changes. Under physiological conditions, Ca²⁺ diffusion across the spine neck is negligible, and the spine head functions as a separate compartment on long time scales, allowing localized Ca²⁺ buildup during trains of synaptic stimuli. Furthermore, the kinetics of Ca²⁺ sources governs the time course of [Ca²⁺] signals and may explain the selective activation of long-term synaptic potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) by NMDA-R-mediated synaptic Ca²⁺.

A combination of a sensitive blue light–gated channelrhodopsin actuator and red-shifted Arch-based voltage sensors allows all-optical electrophysiology without cross-talk in cultured neurons or brain slices. All-optical electrophysiology—spatially resolved simultaneous optical perturbation and measurement of membrane voltage—would open new vistas in neuroscience research. We evolved two archaerhodopsin-based voltage indicators, QuasAr1 and QuasAr2, which show improved brightness and voltage sensitivity, have microsecond response times and produce no photocurrent. We engineered a channelrhodopsin actuator, CheRiff, which shows high light sensitivity and rapid kinetics and is spectrally orthogonal to the QuasArs. A coexpression vector, Optopatch, enabled cross-talk–free genetically targeted all-optical electrophysiology. In cultured rat neurons, we combined Optopatch with patterned optical excitation to probe back-propagating action potentials (APs) in dendritic spines, synaptic transmission, subcellular microsecond-timescale details of AP propagation, and simultaneous firing of many neurons in a network. Optopatch measurements revealed homeostatic tuning of intrinsic excitability in human stem cell–derived neurons. In rat brain slices, Optopatch induced and reported APs and subthreshold events with high signal-to-noise ratios. The Optopatch platform enables high-throughput, spatially resolved electrophysiology without the use of conventional electrodes.

Sensing amino acids at the lysosome The mTORC1 protein kinase is a complex of proteins that functions to regulate growth and metabolism. Activity of mTORC1 is sensitive to the abundance of amino acids, but how the sensing of amino acids is coupled to the control of mTORC1 has been unclear. Wang et al. searched for predicted membrane proteins that interacted with regulators of mTORC1. They identified a protein currently known only as SLC38A9. Interaction of SLC38A9 with mTORC1 regulators was sensitive to the presence of amino acids. SLC38A9 has sequence similarity to amino acid transporters. Effects of modulation of SLC38A9 in cultured human cells indicate that it may be the sensor that connects the abundance of arginine and leucine to mTORC1 activity. Science , this issue p. 188

In vivo calcium imaging through microendoscopic lenses enables imaging of previously inaccessible neuronal populations deep within the brains of freely moving animals. However, it is computationally challenging to extract single-neuronal activity from microendoscopic data, because of the very large background fluctuations and high spatial overlaps intrinsic to this recording modality. Here, we describe a new constrained matrix factorization approach to accurately separate the background and then demix and denoise the neuronal signals of interest. We compared the proposed method against previous independent components analysis and constrained nonnegative matrix factorization approaches. On both simulated and experimental data recorded from mice, our method substantially improved the quality of extracted cellular signals and detected more well-isolated neural signals, especially in noisy data regimes. These advances can in turn significantly enhance the statistical power of downstream analyses, and ultimately improve scientific conclusions derived from microendoscopic data.

Activation of midbrain dopamine neurons rapidly inhibits action potential firing in both direct- and indirect-pathway striatal projection neurons through VMAT2-dependent vesicular release of the inhibitory transmitter GABA (γ-aminobutyric acid). The striatum sits at a crossroads for a variety of brain inputs, including those from the cortex, hippocampus and midbrain. Large populations of dopaminergic neurons in the basal ganglia project to the striatum; recent genetic tools have made it possible to isolate these neurons and control them with light exposure using optogenetic techniques. Here, Bernardo Sabatini and colleagues report an unexpected function for these dopaminergic neurons in inhibiting striatal output. They find that the fast-acting neurotransmitter GABA is the source of this inhibition. Interestingly, GABA was not loaded into vesicles through the usual route, but through the VMAT2 transporter that also transfers dopamine. These findings extend the dynamics of dopaminergic neuron signalling and represent an example of co-transmission in these populations of cells. The substantia nigra pars compacta and ventral tegmental area contain the two largest populations of dopamine-releasing neurons in the mammalian brain. These neurons extend elaborate projections in the striatum, a large subcortical structure implicated in motor planning and reward-based learning. Phasic activation of dopaminergic neurons in response to salient or reward-predicting stimuli is thought to modulate striatal output through the release of dopamine to promote and reinforce motor action1,2,3,4. Here we show that activation of dopamine neurons in striatal slices rapidly inhibits action potential firing in both direct- and indirect-pathway striatal projection neurons through vesicular release of the inhibitory transmitter GABA (γ-aminobutyric acid). GABA is released directly from dopaminergic axons but in a manner that is independent of the vesicular GABA transporter VGAT. Instead, GABA release requires activity of the vesicular monoamine transporter VMAT2, which is the vesicular transporter for dopamine. Furthermore, VMAT2 expression in GABAergic neurons lacking VGAT is sufficient to sustain GABA release. Thus, these findings expand the repertoire of synaptic mechanisms used by dopamine neurons to influence basal ganglia circuits, show a new substrate whose transport is dependent on VMAT2 and demonstrate that GABA can function as a bona fide co-transmitter in monoaminergic neurons.

The manner in which presynaptic Ca2+ influx controls the release of neurotransmitter was investigated at the granule cell to Purkinje cell synapse in rat cerebellar slices. Excitatory postsynaptic currents were measured using whole-cell voltage clamp, and changes in presynaptic Ca2+ influx were determined with the Ca(2+)-sensitive dye furaptra. We manipulated presynaptic Ca2+ entry by altering external Ca2+ levels and by blocking Ca2+ channels with Cd2+ or with the toxins omega-conotoxin GVIA and omega-Aga-IVA. For all of the manipulations, other than the application of omega-Aga-IVA, the relationship between Ca2+ influx and release was well approximated by a power law, n approximately 2.5. When omega-Aga-IVA was applied, release appeared to be more steeply dependent on Ca2+ (n approximately 4), suggesting that omega-Aga-IVA-sensitive channels are more effective at triggering release. Based on interactive effects of toxins on synaptic currents, we conclude that multiple types of Ca2+ channels synergistically control individual release sites.