Based on recent experimental data, we have developed a conductance-based computational network model of the subthalamic nucleus and the external segment of the globus pallidus in the indirect pathway of the basal ganglia. Computer simulations and analysis of this model illuminate the roles of the coupling architecture of the network, and associated synaptic conductances, in modulating the activity patterns displayed by this network. Depending on the relationships of these coupling parameters, the network can support three general classes of sustained firing patterns: clustering, propagating waves, and repetitive spiking that may show little regularity or correlation. Each activity pattern can occur continuously or in discrete episodes. We characterize the mechanisms underlying these rhythms, as well as the influence of parameters on details such as spiking frequency and wave speed. These results suggest that the subthalamopallidal circuit is capable both of correlated rhythmic activity and of irregular autonomous patterns of activity that block rhythmicity. Increased striatal input to, and weakened intrapallidal inhibition within, the indirect pathway can switch the behavior of the circuit from irregular to rhythmic. This may be sufficient to explain the emergence of correlated oscillatory activity in the subthalamopallidal circuit after destruction of dopaminergic neurons in Parkinson's disease and in animal models of parkinsonism.

Summary Astrocytes branch out and make contact at their interfaces. However, the ultrastructural interactions of astrocytes and astrocytes with their surroundings, including the spatial-location selectivity of astrocyte-synapse contacts, remain unknown. Here, the branching architecture of three neighboring astrocytes, their contact interfaces, and their surrounding neurites and synapses have been traced and 3D reconstructed using serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM). Our reconstructions reveal extensive reflexive, loop-like processes that serve as scaffolds to neurites and give rise to spongiform astrocytic morphology. At the astrocyte-astrocyte interface, a cluster of process-process contacts were identified, which biophysically explains the existence of low inter-astrocytic electrical resistance. Additionally, we found that synapses uniformly made contact with the entire astrocyte, from soma to terminal processes, and can be ensheathed by two neighboring astrocytes. Lastly, in contrast to densely packed vesicles at the synaptic boutons, vesicle-like structures were scant within astrocytes. Together, these ultrastructural details should expand our understanding of functional astrocyte-astrocyte and astrocyte-neuron interactions.

Neurons utilize bursts of action potentials as an efficient and reliable way to encode information. It is likely that the intrinsic membrane properties of neurons involved in burst generation may also participate in preserving its temporal features. Here we examined the contribution of the persistent and resurgent components of voltage-gated Na+ currents in modulating the burst discharge in sensory neurons. Using mathematical modeling, theory and dynamic-clamp electrophysiology, we show that, distinct from the persistent Na+ component which is important for membrane resonance and burst generation, the resurgent Na+ can help stabilize burst timing features including the duration and intervals. Moreover, such a physiological role for the resurgent Na+ offered noise tolerance and preserved the regularity of burst patterns. Model analysis further predicted a negative feedback loop between the persistent and resurgent gating variables which mediate such gain in burst stability. These results highlight a novel role for the voltage-gated resurgent Na+ component in moderating the entropy of burst-encoded neural information.Author Summary The nervous system extracts meaningful information from natural environments to guide precise behaviors. Sensory neurons encode and relay such complex peripheral information as electrical events, known as action potentials or spikes. The timing intervals between the spikes carry stimulus-relevant information. Therefore, disruption of spike timing by random perturbations can compromise the nervous system function. In this study we investigated whether the widely-distributed voltage-gated sodium (Na+) ion channels important for spike generation can also serve as noise modulators in sensory neurons. We developed and utilized mathematical models for the different experimentally inseparable components of a complex Na+ channel current. This enabled phenomenological simplification and examination of the individual roles of Na+ components in spike timing control. We further utilized real-time closed-loop experiments to validate model predictions, and theoretical analysis to explain experimental outcomes. Using such multifaceted approach, we uncovered a novel role for a resurgent Na+ component in enhancing the reliability of spike timing and in noise modulation. Furthermore, our simplified model can be utilized in future computational and experimental studies to better understand the pathological consequences of Na+ channelopathies.

Abstract Taste responses in the rostral nucleus of the solitary tract (rNST) influence motivated ingestive behavior via ascending pathways, and consummatory reflex behavior via local, brainstem connections. Modifications to the afferent signal within the rNST include changes in gain (the overall rate of neuron activity) and changes in gustatory tuning (the degree to which individual neurons respond to divergent gustatory qualities). These alterations of the sensory signal derive from both synaptic interactions within the nucleus and the constitutive cellular membrane properties of rNST neurons. GABA neurons are well represented within the rNST, as is expression of KV4.3, a channel for a rapidly inactivating outward K + current (I A ). GABAergic synapses suppress rNST responses to afferent input and previous studies showed that this suppression is greater in cells expressing I A , suggesting a possible interaction. Here, we examine the potential interaction between GABAergic inhibition and I A channels in a series of patch clamp experiments. Optogenetic release of GABA suppressed rNST responses to afferent (electrical) stimulation and this effect was greater in cells with I A , confirming an earlier report. We further observed that the composite inhibitory postsynaptic potential was larger in I A positive cells, suggesting one mechanism for the greater afferent suppression. Blocking I A with the channel blocker AmmTX3, enhanced the response to afferent stimulation, suggesting a suppressive role for this channel in regulating afferent input at rest. However, pharmacologic blockade of I A did not suppress GABAergic inhibition, indicating that I A and GABA independently regulate excitatory afferent input.