Beyond the synapse: The role of extrasynaptic receptors in a retinal microcircuit

Vår evne til å se lar oss navigere og lære om miljøet vårt, samt møte våre venner og unngå våre fiender. Synssansen starter i netthinnen, et papirtynt nettverk av nerveceller og forbindelser mellom dem lokalisert bakerst i øynene våre. Netthinnen er egentlig en slags utvekst eller utposning fra hjernen vår. Nervecellene er organisert i en rekke ulike mikrokretser som til sammen omdanner lysfotoner til elektriske og kjemiske signaler som kan behandles og tolkes av hjernen. Hjerneforskere antar at det kan være så mye som 20 til 30 forskjellige mikrokretser som alle behandler og analyserer forskjellige aspekter av det visuelle bildet, f.eks. skygger, kontraster, form og farge. Én viktig mikrokrets er ansvarlig for vår evne til å se under betingelser med svak lysintensitet (skumring) og i mørke. Det såkalte mørkesynet vårt formidles av en krets som gjerne kalles "stav-mikrokretsen" fordi det bare er stavene (stavfotoreseptorene) som er følsomme nok til å reagere på enkeltfotoner av lys. Den er funksjonen til denne mikrokretsen som gir oss vårt utmerkede mørkesyn og nattsyn og svekket funksjon kan føre til sykdommer som forårsaker nattblindhet. I dette prosjektet har vi brukt en kombinasjon av sofistikert optisk avbildning ("imaging") og elektrofysiologisk registrering for å utforske hypotesen om at nevronene i denne mikrokretsen ikke bare kommuniserer via morfologisk veldefinerte kontaktpunkter kalt synapser, men at de kjemiske stoffene som brukes som budbringere mellom nervecellene (nevrotransmittere) kan "lekke" ut fra synapsene og aktivere såkalte ekstrasynaptiske reseptorer (dvs. reseptorer utenfor selve synapsene). Vi har funnet ut at det er to populasjoner av ekstrasynaptiske reseptorer i denne kretsen som aktiveres av nevrotransmitteren glutamat. Hver populasjon av disse ekstrasynaptiske reseptorene er assosiert med en bestemt type interneuron, og aktiveres av en unik kilde til glutamat. Den ene kilden til glutamat kommer fra nevroner og den andre kilden til glutamat kommer fra glialceller. Glialceller antas generelt å utføre støttefunksjoner for nevroner. Så, våre resultater styrker hypotesen om at disse cellene spiller en ekstra rolle i signalering av informasjon som er viktig for vår sans. Vi har også funnet ut at den nødvendige co-agonisten for hver av disse reseptorpopulasjonene er forskjellig. Til sammen har vi avslørt en kompleksitet i denne kretsen av nevroner som potensielt kan utnyttes for å øke vår kunnskap om hvordan denne kretsen behandler visuell informasjon.

The aim of this project was to increase knowledge about the basic mechanisms involved in synaptic transmission in the central nervous system, with a focus on the location and function of extrasynaptic receptors that are involved in both normal physiological functions, such as long-lasting synaptic plasticity, as well as excitotoxicity and cell death. Although this project clearly falls under the category of basic research, there is potential for a long-term impact on human eye disease, as the neural microcircuit that we investigated here, that mediates night and low-light vision, is of considerable societal and clinical importance. Our results will also have an academic impact on the study of extrasynaptic receptors and their role in signal integration, with valuable information about the molecular mechanisms and spatial localization of such receptors in a microcircuit that utilizes circuit motifs common throughout the central nervous system, e.g. feedback and feedforward inhibition.

A basic goal of neuroscience research is to understand how the activity and interaction of neurons, the primary functional units of the nervous system, lead to behavior. Communication between neurons occurs at morphological junctions called synapses, at which the concerted action of molecular machines, comprising ion channels, receptor proteins, scaffolding proteins, down-stream effector systems and messengers, encode, transfer and decode information. In parallel to the transfer of information at synapses, however, it has become increasingly clear that the exchange of information also occurs outside of morphologically defined synapses. For example, neurotransmitters such as glutamate can spill out from a synapse and activate so-called extrasynaptic receptors that are involved in both normal physiological functions such as long-lasting synaptic plasticity, as well as, paradoxically, excitotoxicity and cell death. Thus, to understand the information processing that occurs in the central nervous system, we must look beyond the synapse to investigate the dynamics and functional properties of molecular elements operating extrasynaptically. Here, in an ambitious series of experiments, we will investigate the nanoscale organization and functional properties of extrasynaptic glutamate receptors in a well-defined retinal microcircuit. We will use an ensemble of complementary methods that our laboratory has implemented and refined over the years, including multi-electrode patch-clamp recording in intact tissue preparations, multi-photon microscopy for structural and functional imaging, as well as newer techniques such as super-resolution microscopy and membrane voltage imaging, relentlessly pushing the limits of spatial and temporal resolution. With this knowledge, the molecular computations that occur between neurons can be understood and exploited to provide new insights into the fundamental mechanisms of the nervous system that underlie the neural basis of behavior.