Intracellular Ca(2+) signaling is considered to be important for multiple astrocyte functions in neural circuits. However, mice devoid of inositol triphosphate type 2 receptors (IP3R2) reportedly lack all astrocyte Ca(2+) signaling, but display no neuronal or neurovascular deficits, implying that astrocyte Ca(2+) fluctuations are not involved in these functions. An assumption has been that the loss of somatic Ca(2+) fluctuations also reflects a similar loss in astrocyte processes. We tested this assumption and found diverse types of Ca(2+) fluctuations in astrocytes, with most occurring in processes rather than in somata. These fluctuations were preserved in Ip3r2(-/-) (also known as Itpr2(-/-)) mice in brain slices and in vivo, occurred in end feet, and were increased by G protein-coupled receptor activation and by startle-induced neuromodulatory responses. Our data reveal previously unknown Ca(2+) fluctuations in astrocytes and highlight limitations of studies that used Ip3r2(-/-) mice to evaluate astrocyte contributions to neural circuit function and mouse behavior.

Abstract Peristalsis, the coordinated contraction - relaxation of the muscles of the stomach is important for normal gastric motility and is impaired in motility disorders. Coordinated electrical depolarizations that originate and propagate within a network of interconnected layers of interstitial cells of Cajal (ICC) and smooth muscle (SM) cells of the stomach wall as a slow-wave, underly peristalsis. Normally, the gastric slow-wave oscillates with a single period and uniform rostrocaudal lag, exhibiting network entrainment. Understanding of the integrative role of neurotransmission and intercellular coupling in the propagation of an entrained gastric slow-wave, important for understanding motility disorders, however, remains incomplete. Using a computational framework constituted of a novel gastric motility network (GMN) model we address the hypothesis that engaging biological oscillators (i.e., ICCs) by constitutive gap junction coupling mechanisms and enteric neural stimulus activated signals can confer a robust entrained gastric slow-wave. We demonstrate that while a decreasing enteric neural stimulus gradient that modulates the intracellular IP 3 concentration in the ICCs can guide the aboral slow-wave propagation essential for peristalsis, engaging ICCs by recruiting the exchange of second messengers (inositol trisphosphate (IP 3 ) and Ca 2+ ) ensures a robust entrained longitudinal slow-wave, even in the presence of biological variability in coupling strengths. Our GMN with the distinct intercellular coupling in conjunction with the intracellular feedback pathways and a rostrocaudal enteric neural stimulus gradient allows gastric slow waves to oscillate with a moderate range of frequencies and to propagate with a broad range of velocities, thus preventing decoupling observed in motility disorders. Overall, the findings provide a mechanistic explanation for the emergence of decoupled slow waves associated with motility impairments of the stomach, offer directions for future experiments and theoretical work, and can potentially aid in the design of new interventional pharmacological and neuromodulation device treatments for addressing gastric motility disorders. Author Summary The coordinated contraction and relaxation of the muscles of the stomach, known as peristalsis is important for normal gastric motility and primarily governed by electrical depolarizations that originate and propagate within a network of interconnected layers of interstitial cells of Cajal (ICCs) and smooth muscle cells of the stomach wall as a slow-wave. Under normal conditions, a gastric slow-wave oscillates with a single period and uniform rostrocaudal lag, exhibiting network entrainment. However, the understanding of intrinsic and extrinsic mechanisms that ensure propagation of a robust entrained slow-wave remains incomplete. Here, using a computational framework, we show that in conjunction with an enteric neural stimulus gradient along the rostrocaudal ICC chain, and intercellular electrical coupling, the intercellular exchange of inositol trisphosphate between ICCs prevents decoupling by extending the longitudinal entrainment range along the stomach wall, even when variability in intercellular coupling exists. The findings from our study indicate ways that ensure the rostrocaudal spread of a robust gastric slow-wave and provide a mechanistic explanation for the emergence of decoupled slow waves associated with motility impairments of the stomach.

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.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease in which motor neurons degenerate resulting in muscle atrophy, paralysis and fatality. Studies using mouse models of ALS indicate a protracted period of disease development with progressive motor neuron pathology, evident as early as embryonic and postnatal stages. Key missing information includes concomitant alterations in the sensorimotor circuit essential for normal development and function of the neuromuscular system. Leveraging unique brainstem circuitry, we show in vitro evidence for reflex circuit-specific postnatal abnormalities in the jaw proprioceptive sensory neurons in the well-studied SOD1G93A mouse. These include impaired and arrhythmic action potential burst discharge associated with a deficit in Nav1.6 Na+ channels. However, the mechanoreceptive and nociceptive trigeminal ganglion neurons and the visual sensory retinal ganglion neurons were resistant to excitability changes in age matched SOD1G93A mice. Computational modeling of the observed disruption in sensory patterns predicted asynchronous self-sustained motor neuron discharge suggestive of imminent reflexive defects such as muscle fasciculations in ALS. These results demonstrate a novel reflex circuit-specific proprioceptive sensory abnormality in ALS.

Abstract Pre-symptomatic studies in mouse models of the neurodegenerative motor neuron (MN) disease, Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) highlight early alterations in intrinsic and synaptic excitability and have supported an excitotoxic theory of MN death. However, a role for synaptic inhibition in disease development is not sufficiently explored among other mechanisms. Since inhibition plays a role in both regulating motor output and in neuroprotection, we examined the age-dependent anatomical changes in inhibitory presynaptic terminals on MN cell bodies using fluorescent immunohistochemistry for GAD67 (GABA) and GlyT2 (glycine) presynaptic proteins comparing ALS-vulnerable trigeminal jaw closer (JC) motor pools with the ALS-resistant extraocular (EO) MNs in the SOD1 G93A mouse model for ALS. Our results indicate differential patterns of temporal changes of these terminals in vulnerable versus resilient MNs and relative differences between SOD1 G93A and wild-type (WT) MNs. Notably, we found pre-symptomatic up-regulation in inhibitory terminals in the EO MNs while the vulnerable JC MNs mostly showed a decrease in inhibitory terminals. Specifically, there was a statistically significant decrease in the GAD67 somatic abuttal in the SOD1 G93A JC MNs compared to WT around P12. Using in vitro patch-clamp electrophysiology, we found a parallel decrease in the ambient GABA-dependent tonic inhibition in the SOD1 G93A JC MNs. While it is unclear if the two mechanisms are directly related, pharmacological blockade of specific subtype of GABA A -α5 receptors suggests that tonic inhibition can control MN recruitment threshold. Furthermore, reduction in tonic GABA current as observed here in the mutant, identifies a putative molecular mechanism explaining our observations of hyperexcitable shifts in JC MN recruitment threshold in the SOD1 G93A mouse. Lastly, we showcase non-parametric resampling-based bootstrap statistics for data analyses, and provide the Python code on GitHub for wider reuse.