Dendritic spines were imaged over days to months in the apical tufts of neocortical pyramidal neurons (layers 5 and 2/3) in vivo. A fraction of thin spines appeared and disappeared over a few days, while most thick spines persisted for months. In the somatosensory cortex, from postnatal day (PND) 16 to PND 25 spine retractions exceeded additions, resulting in a net loss of spines. The fraction of persistent spines (lifetime ≥ 8 days) grew gradually during development and into adulthood (PND 16–25, 35%; PND 35–80, 54%; PND 80–120, 66%; PND 175–225, 73%), providing evidence that synaptic circuits continue to stabilize even in the adult brain, long after the closure of known critical periods. In 6-month-old mice, spines turn over more slowly in visual compared to somatosensory cortex, possibly reflecting differences in the capacity for experience-dependent plasticity in these brain regions.

We imaged axons in layer (L) 1 of the mouse barrel cortex in vivo. Axons from thalamus and L2/3/5, or L6 pyramidal cells were identified based on their distinct morphologies. Their branching patterns and sizes were stable over times of months. However, axonal branches and boutons displayed cell type-specific rearrangements. Structural plasticity in thalamocortical afferents was mostly due to elongation and retraction of branches (range, 1-150 microm over 4 days; approximately 5% of total axonal length), while the majority of boutons persisted for up to 9 months (persistence over 1 month approximately 85%). In contrast, L6 axon terminaux boutons were highly plastic (persistence over 1 month approximately 40 %), and other intracortical axon boutons showed intermediate levels of plasticity. Retrospective electron microscopy revealed that new boutons make synapses. Our data suggest that structural plasticity of axonal branches and boutons contributes to the remodeling of specific functional circuits.

BackgroundExcitatory synapses in the CNS are highly dynamic structures that can show activity-dependent remodeling and stabilization in response to learning and memory. Synapses are enveloped with intricate processes of astrocytes known as perisynaptic astrocytic processes (PAPs). PAPs are motile structures displaying rapid actin-dependent movements and are characterized by Ca2+ elevations in response to neuronal activity. Despite a debated implication in synaptic plasticity, the role of both Ca2+ events in astrocytes and PAP morphological dynamics remain unclear.ResultsIn the hippocampus, we found that PAPs show extensive structural plasticity that is regulated by synaptic activity through astrocytic metabotropic glutamate receptors and intracellular calcium signaling. Synaptic activation that induces long-term potentiation caused a transient PAP motility increase leading to an enhanced astrocytic coverage of the synapse. Selective activation of calcium signals in individual PAPs using exogenous metabotropic receptor expression and two-photon uncaging reproduced these effects and enhanced spine stability. In vivo imaging in the somatosensory cortex of adult mice revealed that increased neuronal activity through whisker stimulation similarly elevates PAP movement. This in vivo PAP motility correlated with spine coverage and was predictive of spine stability.ConclusionsThis study identifies a novel bidirectional interaction between synapses and astrocytes, in which synaptic activity and synaptic potentiation regulate PAP structural plasticity, which in turn determines the fate of the synapse. This mechanism may represent an important contribution of astrocytes to learning and memory processes.

The appearance and disappearance of dendritic spines, accompanied by synapse formation and elimination may underlie the experience-dependent reorganization of cortical circuits. The exact temporal relationship between spine and synapse formation in vivo remains unclear, as does the extent to which synapse formation enhances the stability of newly formed spines and whether transient spines produce synapses. We used in utero electroporation of DsRedExpress- and eGFP-tagged postsynaptic density protein 95 (PSD-95) to investigate the relationship between spine and PSD stability in mouse neocortical L2/3 pyramidal cells in vivo. Similar to previous studies, spines and synapses appeared and disappeared, even in naive animals. Cytosolic spine volumes and PSD-95-eGFP levels in spines covaried over time, suggesting that the strength of many individual synapses continuously changes in the adult neocortex. The minority of newly formed spines acquired PSD-95-eGFP puncta. Spines that failed to acquire a PSD rarely survived for more than a day. Although PSD-95-eGFP accumulation was associated with increased spine lifetimes, most new spines with a PSD did not convert into persistent spines. This indicates that transient spines may serve to produce short-lived synaptic contacts. Persistent spines that were destined to disappear showed, on average, reduced PSD-95-eGFP levels well before the actual pruning event. Altogether, our data indicate that the PSD size relates to spine stability in vivo.

Over the course of the past decade, tissue clearing methods have reached a high level of sophistication with a wide variety of approaches now available[1][1]. To image large cleared samples, light-sheet microscopes have proven to be ideal due to their excellent optical sectioning capability in