Block of Ca2+ currents by the dihydropyridine drug nitrendipine was studied in single canine ventricular cells by using the whole-cell variant of the patch clamp technique. When cells were held at depolarized membrane potentials at which Ca2+ currents were approximately equal to 70% inactivated, nitrendipine blocked Ca2+ currents very potently, with half-block by subnanomolar concentrations. The concentration dependence of block had the form expected for 1:1 binding, with an apparent dissociation constant (Kd) of 0.36 nM. In contrast, when cells were held at hyperpolarized potentials, nitrendipine blocked Ca2+ currents much less potently (Kd approximately equal to 700 nM). The results can be explained if nitrendipine binds very tightly to the inactivated state of the Ca2+ channel and only weakly to the normal resting state. The Kd estimated for binding to the inactivated state is very similar to the dissociation constants previously found for high-affinity [3H]nitrendipine binding to membrane fragments from heart, smooth muscle, brain, and other tissues; moreover, the concentration-dependent kinetics of binding to the inactivated state are similar to those reported for [3H]nitrendipine binding to membranes. These results make it seem very likely that the high-affinity [3H]nitrendipine binding site is an inactivated state of the Ca2+ channel.

The peptide toxin ω-Aga-IVA blocked P-type Ca2+ channel current in rat Purkinje neurons (KD ≈ 2 nM) but had no effect on identified T-type, L-type, or N-type currents in a variety of central and peripheral neurons. ω-Aga-IVA blocked a substantial fraction of high threshold Ca2+ channel current in neurons from the hippocampal CA1 region (mean 26%), visual cortex (32%), spinal cord (45%), and dorsal root ganglia (23%), but less in hippocampal CA3 neurons (14%) and none in sympathetic neurons. In all cases, ω-Aga-IVA block could be reversed by a brief train of strong depolarizations. There was no overlap between current blocked by ω-Aga-IVA and the fractions blocked by dihydropyridines and ω-conotoxin GVIA, but not all current resistant to dihydropyridines and ω-conotoxin was blocked by ω-Aga-IVA. The results suggest that ω-Aga-IVA is highly selective for P-type channels and that many central neurons and some peripheral neurons possess substantial P-type current.

Whole-cell and single-channel recording techniques were used to study the action of the anticonvulsant drug MK-801 [(+)-5-methyl-10,11-dihydro-5H-dibenzo[a,d]- cyclohepten-5,10-imine maleate) on responses to excitatory amino acids in rat neocortical neurons in cell culture. MK-801 caused a progressive, long-lasting blockade of current induced by N-methyl-D-aspartate (N-Me-D-Asp). However, during the time that N-Me-D-Asp responses were inhibited, there was no effect on responses to quisqualate or kainate, suggesting that N-Me-D-Asp receptors and kainate/quisqualate receptors open separate populations of ion channels. Binding and unbinding of MK-801 seems to be possible only if the N-Me-D-Asp-operated channel is in the transmitter-activated state: MK-801 was effective only when applied simultaneously with N-Me-D-Asp, and recovery from MK-801 blockade was speeded by continuous exposure to N-Me-D-Asp [time constant (tau) approximately equal to 90 min at -70 to -80 mV]. Recovery from block during continuous application of N-Me-D-Asp was strongly voltage dependent, being faster at positive potentials (tau approximately equal to 2 min at +30 mV). Mg2+, which is thought to block the N-Me-D-Asp-activated ion channel, inhibited blockade by MK-801 at negative membrane potentials. In single-channel recordings from outside-out patches. MK-801 greatly reduced the channel activity elicited by application of N-Me-D-Asp but did not significantly alter the predominant unitary conductance. Consistent with an open-channel blocking mechanism, the mean channel open time was reduced by MK-801 in a dose-dependent manner.

Currents through Ca channels were recorded in single canine atrial cells using whole-cell recording with patch pipettes. Two components of Ca channel current could be distinguished. One ("Ifast") was present only if cells were held at negative potentials, was most prominent for relatively small depolarizations, and inactivated within tens of milliseconds. The other ("Islow"), corresponding to the Ca current previously reported in single cardiac cells, persisted even at relatively positive holding potentials, required stronger depolarizations for maximal current, and inactivated much more slowly. Both currents were unaffected by tetrodotoxin and both were reduced by Co. Ifast had the same size and kinetics when Ca was exchanged for Ba, while Islow was bigger and slower with Ba as the charge carrier. In isotonic BaCl2, fluctuation analysis showed that Ifast had a smaller single channel current than Islow. Islow was much more sensitive to block by nitrendipine than was Ifast; also, Islow, but not Ifast, was increased by the dihydropyridine drug BAY K8644. Isoproterenol produced large increases in Islow but had no effect on Ifast.

Lidocaine block of cardiac sodium channels was studied in voltage-clamped rabbit purkinje fibers at drug concentrations ranging from 1 mM down to effective antiarrhythmic doses (5-20 muM). Dose-response curves indicated that lidocaine blocks the channel by binding one-to-one, with a voltage-dependent K(d). The half-blocking concentration varied from more than 300 muM, at a negative holding potential where inactivation was completely removed, to approximately 10 muM, at a depolarized holding potential where inactivation was nearly complete. Lidocaine block showed prominent use dependence with trains of depolarizing pulses from a negative holding potential. During the interval between pulses, repriming of I (Na) displayed two exponential components, a normally recovering component (tauless than 0.2 s), and a lidocaine-induced, slowly recovering fraction (tau approximately 1-2 s at pH 7.0). Raising the lidocaine concentration magnified the slowly recovering fraction without changing its time course; after a long depolarization, this fraction was one-half at approximately 10 muM lidocaine, just as expected if it corresponded to drug-bound, inactivated channels. At less than or equal to 20 muM lidocaine, the slowly recovering fraction grew exponentially to a steady level as the preceding depolarization was prolonged; the time course was the same for strong or weak depolarizations, that is, with or without significant activation of I(Na). This argues that use dependence at therapeutic levels reflects block of inactivated channels, rather than block of open channels. Overall, these results provide direct evidence for the "modulated-receptor hypothesis" of Hille (1977) and Hondeghem and Katzung (1977). Unlike tetrodotoxin, lidocaine shows similar interactions with Na channels of heart, nerve, and skeletal muscle.

Summary

 Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease of the motor nervous system. We show using multielectrode array and patch-clamp recordings that hyperexcitability detected by clinical neurophysiological studies of ALS patients is recapitulated in induced pluripotent stem cell-derived motor neurons from ALS patients harboring superoxide dismutase 1 (SOD1), C9orf72, and fused-in-sarcoma mutations. Motor neurons produced from a genetically corrected but otherwise isogenic SOD1^+/+ stem cell line do not display the hyperexcitability phenotype. SOD1^A4V/+ ALS patient-derived motor neurons have reduced delayed-rectifier potassium current amplitudes relative to control-derived motor neurons, a deficit that may underlie their hyperexcitability. The Kv7 channel activator retigabine both blocks the hyperexcitability and improves motor neuron survival in vitro when tested in SOD1 mutant ALS cases. Therefore, electrophysiological characterization of human stem cell-derived neurons can reveal disease-related mechanisms and identify therapeutic candidates.

A cardinal feature of inflammation is heightened pain sensitivity at the site of the inflamed tissue. This results from the local release by immune and injured cells of nociceptor sensitizers, including prostaglandin E 2 , bradykinin, and nerve growth factor, that reduce the threshold and increase the excitability of the peripheral terminals of nociceptors so that they now respond to innocuous stimuli: the phenomenon of peripheral sensitization. We show here that the proinflammatory cytokine interleukin-1β (IL-1β), in addition to producing inflammation and inducing synthesis of several nociceptor sensitizers, also rapidly and directly activates nociceptors to generate action potentials and induce pain hypersensitivity. IL-1β acts in a p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAP kinase)-dependent manner, to increase the excitability of nociceptors by relieving resting slow inactivation of tetrodotoxin-resistant voltage-gated sodium channels and also enhances persistent TTX-resistant current near threshold. By acting as an IL-1β sensor, nociceptors can directly signal the presence of ongoing tissue inflammation.

Voltage-dependent sodium channels were studied in dissociated cerebellar Purkinje neurons from rats. In whole-cell recordings, a tetrodotoxin (TTX)-sensitive inward current was elicited when the membrane was repolarized to voltages between -60 and -20 mV after depolarizations to +30 mV long enough to produce maximal inactivation. At -40 mV, this "resurgent" current peaked in 8 msec and decayed with a time constant of 30 msec. With 50 mM sodium as a charge carrier, the resurgent current was on average approximately 120 pA. CA3 pyramidal neurons had no such current. The current may reflect recovery of inactivated channels through open states, because in Purkinje neurons (but not CA3 neurons) there was partial recovery from inactivation at -40 mV, coinciding with the rise of resurgent current. In single-channel recordings, individual channels gave openings corresponding to resurgent and conventional transient current. Action potentials were recorded from dissociated neurons under current clamp to investigate the role of the resurgent current in action potential formation. Purkinje neurons fired spontaneously at approximately 30 Hz. Hyperpolarization to -85 mV prevented spontaneous firing, and brief depolarization then induced all-or-none firing of conglomerate action potentials comprising three to four spikes. When conglomerate action potentials were used as command voltages in voltage-clamp experiments, TTX-sensitive sodium current was elicited between spikes. The falling phase of an action potential is similar to voltage patterns that activate resurgent sodium current, and thus, resurgent sodium current likely contributes to the formation of conglomerate action potentials in Purkinje neurons.