Dendritic spines serve as preferential sites of excitatory synaptic connections and are pleomorphic. To address the structure–function relationship of the dendritic spines, we used two-photon uncaging of glutamate to allow mapping of functional glutamate receptors at the level of the single synapse. Our analyses of the spines of CA1 pyramidal neurons reveal that AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)-type glutamate receptors are abundant (up to 150/spine) in mushroom spines but sparsely distributed in thin spines and filopodia. The latter may be serving as the structural substrates of the silent synapses that have been proposed to play roles in development and plasticity of synaptic transmission. Our data indicate that distribution of functional AMPA receptors is tightly correlated with spine geometry and that receptor activity is independently regulated at the level of single spines.

Long-term potentiation (LTP) at glutamatergic synapses is considered to underlie learning and memory and is associated with the enlargement of dendritic spines. Because the consolidation of memory and LTP require protein synthesis, it is important to clarify how protein synthesis affects spine enlargement. In rat brain slices, the repetitive pairing of postsynaptic spikes and two-photon uncaging of glutamate at single spines (a spike-timing protocol) produced both immediate and gradual phases of spine enlargement in CA1 pyramidal neurons. The gradual enlargement was strongly dependent on protein synthesis and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) action, often associated with spine twitching, and was induced specifically at the spines that were immediately enlarged by the synaptic stimulation. Thus, this spike-timing protocol is an efficient trigger for BDNF secretion and induces protein synthesis-dependent long-term enlargement at the level of single spines.

SummarySynapse function and plasticity depend on the physical structure of dendritic spines as determined by the actin cytoskeleton. We have investigated the organization of filamentous (F-) actin within individual spines on CA1 pyramidal neurons in rat hippocampal slices. Using two-photon photoactivation of green fluorescent protein fused to β-actin, we found that a dynamic pool of F-actin at the tip of the spine quickly treadmilled to generate an expansive force. The size of a stable F-actin pool at the base of the spine depended on spine volume. Repeated two-photon uncaging of glutamate formed a third pool of F-actin and enlarged the spine. The spine often released this "enlargement pool" into the dendritic shaft, but the pool had to be physically confined by a spine neck for the enlargement to be long-lasting. Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II regulated this confinement. Thus, spines have an elaborate mechanical nature that is regulated by actin fibers.

Increases in cytosolic Ca2+ concentration ([Ca2+]i) mediated by NMDA-sensitive glutamate receptors (NMDARs) are important for synaptic plasticity. We studied a wide variety of dendritic spines on rat CA1 pyramidal neurons in acute hippocampal slices. Two-photon uncaging and Ca2+ imaging revealed that NMDAR-mediated currents increased with spine-head volume and that even the smallest spines contained a significant number of NMDARs. The fate of Ca2+ that entered spine heads through NMDARs was governed by the shape (length and radius) of the spine neck. Larger spines had necks that permitted greater efflux of Ca2+ into the dendritic shaft, whereas smaller spines manifested a larger increase in [Ca2+]i within the spine compartment as a result of a smaller Ca2+ flux through the neck. Spine-neck geometry is thus an important determinant of spine Ca2+ signaling, allowing small spines to be the preferential sites for isolated induction of long-term potentiation.

To permit rapid optical control of brain activity, we have engineered multiple lines of transgenic mice that express the light-activated cation channel Channelrhodopsin-2 (ChR2) in subsets of neurons. Illumination of ChR2-positive neurons in brain slices produced photocurrents that generated action potentials within milliseconds and with precisely timed latencies. The number of light-evoked action potentials could be controlled by varying either the amplitude or duration of illumination. Furthermore, the frequency of light-evoked action potentials could be precisely controlled up to 30 Hz. Photostimulation also could evoke synaptic transmission between neurons, and, by scanning with a small laser light spot, we were able to map the spatial distribution of synaptic circuits connecting neurons within living cerebral cortex. We conclude that ChR2 is a genetically based photostimulation technology that permits analysis of neural circuits with high spatial and temporal resolution in transgenic mammals.

Long-term potentiation of synapse strength requires enlargement of dendritic spines on cerebral pyramidal neurons. Long-term depression is linked to spine shrinkage. Indeed, spines are dynamic structures: they form, change their shapes and volumes, or can disappear in the space of hours. Do all such changes result from synaptic activity, or do some changes result from intrinsic processes? How do enlargement and shrinkage of spines relate to elimination and generation of spines, and how do these processes contribute to the stationary distribution of spine volumes? To answer these questions, we recorded the volumes of many individual spines daily for several days using two-photon imaging of CA1 pyramidal neurons in cultured slices of rat hippocampus between postnatal days 17 and 23. With normal synaptic transmission, spines often changed volume or were created or eliminated, thereby showing activity-dependent plasticity. However, we found that spines changed volume even after we blocked synaptic activity, reflecting a native instability of these small structures over the long term. Such “intrinsic fluctuations” showed unique dependence on spine volume. A mathematical model constructed from these data and the theory of random fluctuations explains population behaviors of spines, such as rates of elimination and generation, stationary distribution of volumes, and the long-term persistence of large spines. Our study finds that generation and elimination of spines are more prevalent than previously believed, and spine volume shows significant correlation with its age and life expectancy. The population dynamics of spines also predict key psychological features of memory.

BackgroundThe effects of pharmacological blood-pressure-lowering on cardiovascular outcomes in individuals aged 70 years and older, particularly when blood pressure is not substantially increased, is uncertain. We compared the effects of blood-pressure-lowering treatment on the risk of major cardiovascular events in groups of patients stratified by age and blood pressure at baseline.MethodsWe did a meta-analysis using individual participant-level data from randomised controlled trials of pharmacological blood-pressure-lowering versus placebo or other classes of blood-pressure-lowering medications, or between more versus less intensive treatment strategies, which had at least 1000 persons-years of follow-up in each treatment group. Participants with previous history of heart failure were excluded. Data were obtained from the Blood Pressure Lowering Treatment Triallists' Collaboration. We pooled the data and categorised participants into baseline age groups (<55 years, 55–64 years, 65–74 years, 75–84 years, and ≥85 years) and blood pressure categories (in 10 mm Hg increments from <120 mm Hg to ≥170 mm Hg systolic blood pressure and from <70 mm Hg to ≥110 mm Hg diastolic). We used a fixed effects one-stage approach and applied Cox proportional hazard models, stratified by trial, to analyse the data. The primary outcome was defined as either a composite of fatal or non-fatal stroke, fatal or non-fatal myocardial infarction or ischaemic heart disease, or heart failure causing death or requiring hospital admission.FindingsWe included data from 358 707 participants from 51 randomised clinical trials. The age of participants at randomisation ranged from 21 years to 105 years (median 65 years [IQR 59–75]), with 42 960 (12·0%) participants younger than 55 years, 128 437 (35·8%) aged 55–64 years, 128 506 (35·8%) 65–74 years, 54 016 (15·1%) 75–84 years, and 4788 (1·3%) 85 years and older. The hazard ratios for the risk of major cardiovascular events per 5 mm Hg reduction in systolic blood pressure for each age group were 0·82 (95% CI 0·76–0·88) in individuals younger than 55 years, 0·91 (0·88–0·95) in those aged 55–64 years, 0·91 (0·88–0·95) in those aged 65–74 years, 0·91 (0·87–0·96) in those aged 75–84 years, and 0·99 (0·87–1·12) in those aged 85 years and older (adjusted pinteraction=0·050). Similar patterns of proportional risk reductions were observed for a 3 mm Hg reduction in diastolic blood pressure. Absolute risk reductions for major cardiovascular events varied by age and were larger in older groups (adjusted pinteraction=0·024). We did not find evidence for any clinically meaningful heterogeneity of relative treatment effects across different baseline blood pressure categories in any age group.InterpretationPharmacological blood pressure reduction is effective into old age, with no evidence that relative risk reductions for prevention of major cardiovascular events vary by systolic or diastolic blood pressure levels at randomisation, down to less than 120/70 mm Hg. Pharmacological blood pressure reduction should, therefore, be considered an important treatment option regardless of age, with the removal of age-related blood-pressure thresholds from international guidelines.FundingBritish Heart Foundation, National Institute of Health Research Oxford Biomedical Research Centre, Oxford Martin School.

Abstract In vivo two-photon calcium imaging currently allows us to observe the activity of multiple neurons up to ∼900 μm below the cortical surface without cortical invasion. However, many other important brain areas are located deeper than this. Here, we used a 1100 nm laser, which underfilled the back aperture of the objective, and red genetically encoded calcium indicators to establish two-photon calcium imaging of the intact mouse brain and detect neural activity up to 1200 μm from the cortical surface. This imaging was obtained from the medial prefrontal cortex (the prelimbic area) and the hippocampal CA1 region. We found that the neural activity related to reward prediction is higher in the prelimbic area than in layer 2/3 of the secondary motor area, while it is negligible in the hippocampal CA1 region. Reducing the invasiveness of imaging is an important strategy to reveal the brain processes active in cognition and memory.

Abstract Daynamic functional organization by synchronization is theorized to be essential for dimension reduction of the cerebellar learning space. We analyzed a large amount of coordinate-localized, two-photon imaging data from cerebellar Crus II in mice undergoing “Go/No-go” reinforcement learning. Tensor component analysis revealed that a majority of climbing fiber inputs to Purkinje cells were reduced to only four functional components, corresponding to accurate timing control of motor initiation related to a Go cue, cognitive error-based learning, reward processing, and inhibition of erroneous behaviors after a No-go cue. Spatial distribution of these components coincided well with the boundaries of Aldolase-C/zebrin II expression in Purkinje cells, whereas several components are mixed in single neurons. Synchronization within individual components was bidirectionally regulated according to specific task contexts and learning stages. These findings suggest that the cerebellum, based on anatomical compartments, reduces dimensions by self-organization of components, a feature that may inspire new-generation AI designs.