Abstract

 Previous studies of short-term plasticity in central nervous systems synapses have largely focused on average synaptic properties. In this study, we use recordings from putative single synaptic release sites in hippocampal slices to show that significant heterogeneity exists in facilitation and depletion among synapses. In particular, the amount of paired-pulse facilitation is inversely related to the initial release probability of the synapse. We also examined depletion at individual synapses using high frequency stimulation, and estimated the size of the readily releasable vesicle pool, which averaged 5.0 ± 3.0 quanta (n = 13 synapses). In addition, these experiments demonstrate that the release probability at a synapse is directly correlated with the size of its readily releasable vesicle pool.

We report the finding that C. elegans display X-ray avoidance behavior at high but well tolerated doses, and that this behavior appears to require LITE-1, a gustatory receptor that has been implicated in UV avoidance behavior. We recorded acute behavioral responses of wild-type worms to increasing intensities of X-ray stimulation and found a positive stimulation-response relationship. Mutant strains of worms with dysfunctional photoreceptor proteins LITE-1 and GUR-3 were assayed, and the X-ray avoidance response was found to be nearly absent in LITE-1 mutants but not GUR-3 mutants, suggesting a prominent role for LITE-1 in the detection of X-rays. These findings may be important for developing optogenetics tools to stimulate cells in deep tissue using X-rays, for understanding the mechanism of LITE-1 signaling, and for understanding how organisms may respond to radiation.

There is an ongoing need for noninvasive tools to manipulate brain activity with molecular, spatial and temporal specificity. Here we have investigated the use of MRI-visible, albumin-based nanoclusters for noninvasive, localized and temporally specific drug delivery to the rat brain. We demonstrated that IV injected nanoclusters could be deposited into target brain regions via focused ultrasound facilitated blood brain barrier opening. We showed that nanocluster location could be confirmed in vivo with MRI. Additionally, following confirmation of nanocluster delivery, release of the nanocluster payload into brain tissue can be triggered by a second focused ultrasound treatment performed without circulating microbubbles. Release of glutamate from nanoclusters in vivo caused enhanced c-Fos expression, indicating that the loading capacity of the nanoclusters is sufficient to induce neuronal activation. This novel technique for noninvasive stereotactic drug delivery to the brain with temporal specificity could provide a new way to study brain circuits in vivo preclinically with high relevance for clinical translation.![Figure][1] [1]: pending:yes

In addition to extracellular amyloid plaques, intracellular neurofibrillary tau tangles, and inflammation, cognitive and emotional affect perturbations are characteristic of Alzheimer's disease (AD). The cognitive and emotional domains impaired by AD include several forms of decision making (such as intertemporal choice), blunted motivation (increased apathy), and impaired executive function (such as working memory and cognitive flexibility). However, the interaction between these domains of the mind and their supporting neurobiological substrates at prodromal stages of AD, or whether these interactions can be predictive of AD severity (individual variability), remain unclear. In this study, we employed a battery of cognitive and emotional tests in the young adult (5–7 mo) transgenic Fisher-344 AD (TgF344-AD; TgAD) rat model of AD. We also assessed whether markers of inflammation or AD-like pathology in the prelimbic cortex (PrL) of the medial prefrontal cortex (mPFC), basolateral amygdala (BLA), or nucleus accumbens (NAc), all structures that directly support the aforementioned behaviors, were predictive of behavioral deficits. We found TgAD rats displayed maladaptive decision making, greater apathy, and impaired working memory that was indeed predicted by AD-like pathology in the relevant brain structures, even at an early age. Moreover, we report that the BLA is an early epicenter of inflammation, and notably, AD-like pathology in the PrL, BLA, and NAc was predictive of BLA inflammation. These results suggest that operant-based battery testing may be sensitive enough to determine pathology trajectories, including neuroinflammation, from early stages of AD.

Visual perception of X-radiation is a well-documented, but poorly understood phenomenon. Early literature implicates scotopic rod cells and rod opsin in X-ray detection, however, evidence suggests that X-rays excite the retina via a different mechanism than visible light. While rhodopsin’s role in X-ray perception is unclear, the possibility that it could function as an X-ray receptor has led to speculation that it could act as a transgenically expressed X-ray receptor. If so, it could be used to transduce transcranial X-ray signals and control the activity of genetically targeted populations of neurons in a less invasive version of optogenetics, X-genetics. Here we investigate whether human rhodopsin (hRho) is capable of transducing X-ray signals when expressed outside of the retinal environment. We use a live-cell cAMP GloSensor luminescence assay to measure cAMP decreases in hRho-expressing HEK293 cells in response to visible light and X-ray stimulation. We show that cAMP GloSensor luminescence decreases are not observed in hRho-expressing HEK293 cells in response to X-ray stimulation, despite the presence of robust responses to visible light. Additionally, irradiation had no significant effect on cAMP GloSensor responses to subsequent visible light stimulation. These results indicate that ectopically expressed rhodopsin does not function as an X-ray receptor, and suggest that it is not capable of transducing transcranial X-ray signals into neural activity for X-ray mediated, genetically targeted neuromodulation.

Optogenetics is widely used in neuroscience to control neural circuits. However, non-invasive methods for light delivery in brain are needed to avoid physical damage caused by current methods. One potential strategy could employ x-ray activation of radioluminescent particles (RPLs), enabling localized light generation within the brain. RPLs composed of inorganic scintillators can emit light at various wavelengths depending upon composition. Cerium doped lutetium oxyorthosilicate (LSO:Ce), an inorganic scintillator that emits blue light in response to x-ray or UV stimulation, could potentially be used to control neural circuits through activation of channelrhodopsin-2 (ChR2), a light-gated cation channel. Whether inorganic scintillators themselves negatively impact neuronal processes and synaptic function is unknown, and was investigated here using cellular, molecular, and electrophysiological approaches. As proof of principle, we applied UV stimulation to 4 μm LSO:Ce particles during whole-cell recording of CA1 pyramidal cells in acutely prepared hippocampal slices from mice that expressed ChR2 in glutamatergic neurons. We observed an increase in frequency and amplitude of spontaneous excitatory postsynaptic currents (EPSCs), indicating UV activation of ChR2 and excitation of neurons. Importantly, we found that LSO:Ce particles have no effect on survival of primary mouse cortical neurons, even after 24 hours of exposure. In extracellular dendritic field potential recordings, we observed no change in strength of basal glutamatergic transmission up to 3 hours of exposure to LSO:Ce microparticles. However, there was a slight decrease in the frequency of spontaneous EPSCs in whole-cell voltage-clamp recordings from CA1 pyramidal cells, with no change in current amplitudes. No changes in the amplitude or frequency of spontaneous inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) were observed. Finally, long term potentiation (LTP), a synaptic modification believed to underlie learning and memory and a robust measure of synaptic integrity, was successfully induced, although the magnitude was slightly reduced. Together, these results show LSO:Ce particles are biocompatible even though there are modest effects on baseline synaptic function and long-term synaptic plasticity. Importantly, we show that light emitted from LSO:Ce particles is able to activate ChR2 and modify synaptic function. Therefore, LSO:Ce inorganic scintillators are potentially viable for use as a new light delivery system for optogenetics.

Abstract The reduction of neuropeptide Y (NPY), an abundant neuromodulator in the brain, has been implicated in multiple neuropsychiatric disorders, such as depression and post-traumatic stress disorder (PTSD). The CA1 region of hippocampus is an important area for anxiety and highly expresses NPY. Injection of NPY into the CA1 is anxiolytic and has been shown to alleviate behavioral symptoms in a model of traumatic stress. It is known that activation of NPY Y1 receptors has anxiolytic effects and that NPY’s anxiolytic effects in CA1 are blocked by an NPY Y1 receptor antagonist. However, the location of Y1 receptors mediating NPY’s anxiolytic effects in CA1 is not yet known. CA1 receives inputs from entorhinal cortex through the temporammonic pathway (TA), which has been shown to be important for fear learning and sensitive to stress. Our lab previously showed that NPY reduces TA-evoked synaptic responses, however, the subtype of NPY receptor mediating this effect is not yet known. In this study, we show that Y1 receptors mediate the effects of both exogenous (bath-applied) and endogenously-released NPY in the TA pathway. This is the first demonstration of a Y1 receptor-mediated effect on synaptic function in CA1. Interestingly, chronic cell-type specific overexpression of NPY impairs the sensitivity of the TA pathway to NPY and the Y1 receptor agonist. However, the effect of NPY in the Schaffer collateral (SC) pathway, which is mediate by NPY Y2 receptors, is unaffected by NPY overexpression. There are pathway-specific differences in NPY receptors that modulate NPY’s effects in CA1 and respond differently to NPY overexpression. Our results demonstrating that NPY acts at Y1 receptors in the TA pathway are consistent with the idea that the TA pathway underlies the anxiolytic effects of NPY in CA1.

Abstract Optogenetics is a widely used tool for studying neural circuits. However, non-invasive methods for light delivery in the brain are needed to avoid physical damage typically caused by intracranial insertion of light guides. An innovative strategy could employ X-ray activation of radioluminescent particles (RLPs) to emit localized light. We previously reported that RLPs composed of cerium doped lutetium oxyorthosilicate (LSO:Ce), an inorganic scintillator that emits blue light, are biocompatible with neuronal function and synaptic transmission. However, little is known about the consequences of acute X-ray exposure on synaptic function and long-term plasticity. Furthermore, modulation of neuronal or synaptic function by X-ray induced radioluminescence from RLPs has not yet been demonstrated. Here we show that 30 minutes of X-ray exposure at a rate of 0.042 Gy/second caused no change in the strength of basal glutamatergic transmission during extracellular dendritic field recordings in mouse hippocampal slices. Additionally, long-term potentiation (LTP), a robust measure of synaptic integrity, was able to be induced after X-ray exposure and expressed at a magnitude not different from control conditions (absence of X-rays). This is important as synaptic plasticity is critical to learning and memory. Next, we used molecular and electrophysiological approaches to determine if X-ray dependent radioluminescence emitted from RLPs can activate light sensitive proteins. We found that X-ray stimulation of RLPs elevated cAMP levels in HEK293T cells expressing OptoXR, a chimeric opsin receptor that combines the extracellular light-sensitive domain of channelrhodopsin-2 (ChR2) with an intracellular second messenger signaling cascade. This demonstrates that X-ray radioluminescence from LSO:Ce particles can activate OptoXR. Next, we tested whether X-ray activation of the RLPs can enhance synaptic activity in whole-cell recordings from hippocampal neurons expressing ChR2, both in cell culture and acute hippocampal slices. Importantly, X-ray radioluminescence caused an increase in the frequency of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) in both systems, indicating activation of ChR2 and excitation of neurons. Together, our results show that X-ray activation of LSO:Ce particles can heighten cellular and synaptic function. The combination of LSO:Ce inorganic scintillators and X-rays is therefore a viable method for optogenetics as an alternative to more invasive light delivery methods.

Abstract Visual perception of X-radiation is a well-documented, but poorly understood phenomenon. Scotopic rod cells and rhodopsin have been implicated in visual responses to X-rays, however, some evidence suggests that X-rays excite the retina via a different mechanism than visible light. While rhodopsin’s role in X-ray perception is unclear, the possibility that it could function as an X-ray receptor has led to speculation that it could act as a transgenically expressed X-ray receptor. If so, it could be used to transduce transcranial X-ray signals and control the activity of genetically targeted populations of neurons in a less invasive version of optogenetics, X-genetics. Here we investigate whether human rhodopsin (hRho) is capable of transducing X-ray signals when expressed outside of the retinal environment. We use a live-cell cAMP GloSensor luminescence assay to measure cAMP decreases in hRho-expressing HEK293 cells in response to visible light and X-ray stimulation. We show that cAMP GloSensor luminescence decreases are not observed in hRho-expressing HEK293 cells in response to X-ray stimulation, despite the presence of robust responses to visible light. Additionally, irradiation had no significant effect on cAMP GloSensor responses to subsequent visible light stimulation. These results suggest that ectopically expressed rhodopsin does not function as an X-ray receptor and is not capable of transducing transcranial X-ray signals into neural activity for X-ray mediated, genetically targeted neuromodulation.