Lecture Notes in Computer Science


Spontaneous Voltage Transients in Mammalian Retinal


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet7/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   88

Spontaneous Voltage Transients in Mammalian Retinal 

Ganglion Cells Dissociated by Vibration  

Tamami Motomura, Yuki Hayashida, and Nobuki Murayama

 

Graduate school of Science and Technology, Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, 



Kumamoto 860-8555, Japan 

tama@brain.cs.kumamoto-u.ac.jp, 

{yukih,murayama}@cs.kumamoto-u.ac.jp 

Abstract. We recently developed a new method to dissociate neurons from 

mammalian retinae by utilizing low-Ca

2+

 tissue incubation and the vibro-



dissociation technique, but without use of enzyme. The retinal ganglion cell 

somata dissociated by this method showed spontaneous voltage transients (sVT) 

with the fast rise and slower decay. In this study, we analyzed characteristics of 

these sVT in the cells under perforated-patch whole-cell configuration, as well 

as in a single compartment cell model. The sVT varied in amplitude with 

quantal manner, and reversed in polarity around 

80 mV in a normal 



physiological saline. The reversal potential of sVT shifted dependently on the 

K

+



 equilibrium potential, indicating the involvement of some K

+

 conductance. 



Based on the model, the conductance changes responsible for producing sVT 

were little dependent on the membrane potential below 

50 mV. These results 



could suggest the presence of isolated, inhibitory presynaptic terminals 

attaching on the ganglion cell somata. 



Keywords:  Neuronal computation, dissociated cells, retina, patch-clamp, neuron 

model. 


1   Introduction 

Elucidating the functional role of single neurons in neural information processing is 

intricate because the neuronal computation itself is highly nonlinear and adaptive, and 

depends on combinations of many parameters, e.g. the ionic conductances, the 

intracellular signaling, their subcellular distributions, and the cell morphology. 

Furthermore, the interactions with surrounding neurons/glias can alter those factors, 

and thereby hinder us from examining some of those factors separately. This could be 

overcome by pharmacologically or physically isolating neurons from the circuits. One 

would use the pharmacological agents those can block the synaptic signal 

transmission in situ, although it is hard to know whether or not such agents show any 

unintended side-effects. Alternatively, one can dissociate neural tissue into single 

neurons by means of enzymatic digestion and mechanical trituration. The dissociated 

single neurons often lost their fine neurites and the synaptic contacts with other cells 

during the dissociation procedure, and thus, are useful for examining the properties of 

ionic conductances at known membrane potentials [3]. Unfortunately, however, 


 

sVT in Mammalian Retinal Ganglion Cells Dissociated by Vibration 

65 

several studies have demonstrated that proteolytic enzymes employed for the cell 



dissociations can distort the amplitude, kinetics, localization, and pharmacological 

properties of ionic currents, e.g. [2]. These observations lead to attempts to isolate 

neurons by enzyme-free, mechanical means.  

Recently, we developed a new protocol for dissociating single neurons from 

specific layers of mammalian retinae without use of any proteolytic enzymes [12], but 

with a combination of the low-Ca

2+

 tissue incubation [9] and the vibrodissociation 



technique [15] which has been applied to the slices of brains and spinal cords [1]. The 

somata of ganglion cells dissociated by our method showed spontaneous voltage 

transients (sVT) with fast rise and slower decay in the time course [8]. To our 

knowledge, such sVT have never been reported in previous studies on the retinal 

ganglion cells dissociated with or without enzyme [9]. Therefore, in this study, we 

analyzed characteristics of these sVT in the cells under perforated-patch whole-cell 

configuration, as well as in a single compartment cell model. The present results 

could suggest the presence of inhibitory presynaptic terminals attaching to the 

ganglion cell somata we recorded from, as demonstrated in previous studies on the 

vibrodissociated neurons of brains and spinal cords [1]. If this is the case, the retinal 

neurons dissociated by our method would be advantageous to investigate the 

mechanisms of transmitter release in single tiny synaptic boutons even under the 

isolation from the axons and neurites. 

2   Methods 

All animal care and experimental procedures in this study were approved by the 

committee for animal researches of Kumamoto University.  

2.1   Cell Dissociation 

The neural retinas were isolated from two freshly enucleated eyes of Wistar rats  

(P7-P25), cut into 2-4 pieces each, and briefly kept in chilled extracellular “bath” 

solution. This solution contained (in mM): 140 NaCl, 3.5 KCl, 1 MgCl

2

, 2.5 CaCl



2

, 10 


D

-glucose, 5 HEPES. The pH was adjusted to 7.3 with NaOH. A retinal piece was 

then placed with photoreceptor-side down in a culture dish, covered with 0.4 ml of 

chilled, low-Ca

2+

 solution and incubated for 3-5 min. This low-Ca



2+

 solution 

contained (in mM): 140 sucrose, 2.5 KCl, 70 CsOH, 20 NaOH, 1 NaH

2

PO



4

, 15 CaCl

2



20 EDTA, 11 



D

-glucose, 15 HEPES. The estimated free Ca

2+

 concentration was  



100–200 nM. The pH was adjusted to 7.2 with HCl. After the incubation, the fire-

blunted glass pipette horizontally vibrating in amplitude of 0.2-0.5 mm at 100 Hz was 

applied to the flattened surface of retina throughout under visual control with the 

microscope, so that the cells were dissociated from the ganglion cell layer, but least 

from the inner and outer nuclear layers. After removing the remaining retinal tissue, 

the culture dish was filled with the bath solution, and left on a vibration-isolation table 

for allowing cells to settle down for 15-40 min. The bath solution was replaced by a 

fresh aliquot supplemented with 1 mg/ml bovine serum albumin and the dissociated 

cells were maintained at room temperature (20-25 

o

C) for 2-18 hrs prior to the 



electrophysiological recordings described below. The ganglion cells were identified 

66 

T. Motomura, Y. Hayashida, and N. Murayama 

based on the size criteria [6]. Nearly all those cells we made recordings from in 

voltage-/current-clamp showed the large amplitude of voltage-gated Na

+

 current 



and/or of action potentials (see Fig. 1A-B), verifying that they were ganglion cells [4]. 

2.2   Electrophysiology 

Since the previous studies demonstrated that the membrane conductances of retinal 

ganglion cells can be modulated by the intracellular messengers, e.g. Zn

2+

 [13] and 



cAMP [7], all recordings presented here were performed in perforated-patch whole-

cell mode [9] to maintain cytoplasmic integrity. Patch electrodes were pulled from 

borosilicate glass capillaries to tip resistances of approximately 4-8 M

Ω

. The tip of 



the electrodes were filled with a recording “electrode” solution that contained (in 

mM): 110 K-

D

-gluconic acid, 15 KCl, 15 NaOH, 2.6 MgCl



2

, 0.34 CaCl

2

, 1 EGTA, 10 



HEPES. The pH was adjusted to 7.2 with methanesulfonic acid. The shank of the 

electrodes were filled with this solution after the addition of amphotericin B as the 

perforating agent (260 

μ

g/ml, with 400 



μ

g/ml Pluronic F-127). The recordings were 

made after the series resistance in perforated-patch configuration reached a stable 

value (typically 20-40 M

Ω

, ranging 10-100 M



Ω

). In the fast current-clamp mode of 

the amplifier (EPC-10, Heka), the voltage monitor output was analog-filtered by the 

built-in Bessel filters (3-pole 10–30 kHz followed by 4-pole 2-5 kHz) and digitally 

sampled (5–20 kHz). The voltage drop across the series resistance was compensated 

by the built-in circuitry. The recording bath was grounded via an agar bridge, and the 

bath solution was continuously superfused over each cell recorded from, at a constant 

flow rate (0.4 ml/min). The volume of solution in the recording chamber was kept at 

about 2 ml. To apply a high-K

+

 solution (Fig. 2B), 8 mM NaCl in the bath solution 



was replaced by the equimolar KCl. An enzyme solution was made by supplementing 

0.25 mg/ml papain and 2.5 mM 

L

-cystein in the bath solution. All experiments were 



performed at room temperature. 

3   Results 

Perforated-patch whole-cell recordings were made from the somata of ganglion cells 

dissociated by our recently developed protocol (see Methods), which offered us 

quantitative measurements of the intrinsic membrane properties with the least 

 

distortion due to the proteolysis by enzymes [2]. Conversely, since these cells were 



never exposed to any enzyme, they were useful in examining the effects of the  

enzymes utilized for the cell dissociation in previous studies. In fact, spike firing of  

the ganglion cells in response to constant current injection via the patch electrode  

(30-pA step in the positive direction) was irreversibly altered when the enzyme solution 

was superfused over those cells (n=3): 1) The resting potential depolarized by 5-20 mV 

and the spike firing diminished during the enzyme application; 2) When the enzyme 

was washed out from the recording chamber, the resting potential gradually 

hyperpolarized near the original level and the spike firing returned in some way;  

 

 


 

sVT in Mammalian Retinal Ganglion Cells Dissociated by Vibration 

67 

 

Fig. 1. Spontaneous voltage transients (sVT) observed in the dissociated retinal ganglion cells. 



A: Microphotograph of the cell recorded from. Note the soma being lager than 15 

μ

m in 



diameter. B: Membrane potential changes in response to step-wise constant current injections. 

Four traces are superimposed. The injected current was 10 pA in the negative direction and 10, 

20, and 30 pA in the positive directions. C: Spontaneous hyperpolarizations under the current-

clamp. The recordings were made for 50 sec in three different episodes with breaks for 12 sec 

between first and second, and for 6 sec between second and third. A constant current (2 pA in 

the positive direction) was injected to hold the membrane potential at around –70 mV (dashed 

gray line). Inset: Examples of sVT in an expanded time scale. Five events are recognized. Three 

of them are similar in their amplitude and time course, and the other two have roughly half and 

quarter of the largest amplitude.  

3) After ~20 min of the washing out of enzyme, the spike firing reached a steady state 

at which the interval between the first and second spike firings in response to the 

current step was shorter than that before the enzyme application, by 40

±11 % 

(mean


±S.E.) (not shown, [12]). These results suggest that, in previous studies on 

isolated retinal ganglion cells, some of the ionic channels could be significantly 

distorted during the dissociation procedure because of the use of proteolytic enzymes.  

Moreover, we found the spontaneous voltage transients (sVT) with the fast rise and 

slower decay in the retinal ganglion cell somata dissociated by our method [8].  

Fig. 1shows an example of sVT recorded from the cell shown in Fig. 1A. As shown 

in the Fig., transient hyperpolarizations spontaneously appeared under a constant 

current injection. Most of these hyperpolarizations are similar in amplitude and time 

course at a certain membrane potential (

70 mV here) and in some, the peak 



amplitude of hyperpolarizations was roughly the half or quarter (or one-eighth, in 

other cells) of the largest one (Inset). Such sVT appeared in 10-20 % of the cells we 

made recordings from, and could be observed in particular cells as long as we kept the 

recordings (0.5-2 hrs). When the enzyme solution was superfused over one of those 

cells, the sVT disappeared completely, and then were not seen again even after 20 

min of the washing out of enzyme.  

 







68 

T. Motomura, Y. Hayashida, and N. Murayama 



C

A

B

  

Fig. 2. Reversal potential of sVT. AB: The sVT recorded in the saline containing extracellular K

+

 

of 3.5 mM (A) and 11.5 mM (B). The basal membrane potential (indicated by arrows) was varied 



by injecting holding currents ranging between –8 and +8 pA in A and between –8 and +12 pA in 

B.  C: Plots of the peak amplitude versus basal potential. Only the events having the largest 

amplitude (see Fig. 1C) are taken into account. Note that the amplitude of depolarizations were 

plotted as negative values, and vice versa. The filled circles and open circles represent the data for 

3.5-mM K


+

 and 11.5-mM K

+

, respectively. 



As shown in Fig. 1C, the sVT were all recorded as hyperpolarizations when the 

cell was held at approximately 

70 mV. Thus, the reversal potential of the ionic 



current producing sVT should be below this voltage. In Fig. 2, the reversal potential 

for sVT was measured by holding the basal membrane potential at different levels 

under the current-clamp, c.f. [5]. As expected, the polarity of sVT reversed around 

80 mV when the basal membrane potential was varied from about 



100 to 


40 mV 


(Fig. 2A). Based on the ionic compositions in the bath and electrode solutions used in 

this recording, the equilibrium potential of K

+

 (E


K

) was estimated to be about 

90 


mV, and close to the reversal potential for sVT. When the E

K

 was shifted by +30 mV, 



i.e. from about 

90 to 



60 mV by applying the high-K

+

 solution (see Method), the 



polarity of sVT reversed between 

54 and 



39 mV of the basal membrane potential 

(Fig. 2B). Fig. 2C plots the peak amplitude of sVT versus the basal membrane 

potential. The linear regressions on these plots (gray lines) crossed the abscissa 

(dashed line) at approximately –76 mV and –48 mV for 3.5-mM K

+

 and 11.5-mM K



+

respectively, showing the shift of reversal potential parallel to the E



shift. Similar 

results were obtained in other two cells. These results indicate that the ionic 

conductance responsible for producing sVT is permeable to, at least, K

+

.  


In the present experiments, we made recordings from the cells without neurites or 

with neurites no longer than 10 

μ

m or so. Therefore, those cells can be modeled as a 



single compartment shown in Fig. 3A. In this model, the unknown conductance 

responsible for producing sVT and the reversal potential are represented by “gx” and 

“Ex”, respectively. The membrane properties intrinsic to the cell are represented  

by membrane capacitance Cm, nonlinear conductance gm, and the apparent reversal  

potential Em. Here, Cm was measured with the capacitance compensation circuitry of  

 


 

sVT in Mammalian Retinal Ganglion Cells Dissociated by Vibration 

69 

 

Fig. 3. Conductance changes during sVT. A: Single compartment model of the isolated somata. 

ICm, the current through Cm. Igm, the current through gm.  Igx, the current through gx.  B: 

Voltage responses to the current steps injected. The amplitude of current steps (Iinj) were 

varied from –10 to +10 pA in 5-pA increment and the corresponding voltage changes (Vm), 

from the bottom (black) to the top (light gray), were recorded. C: Plots of the membrane 

potential versus the amplitude of current steps. The voltage was measured at the time points 

indicated by the marks in B (circle, square, triangle, rhombus, and hexagon). The solid line 

shows the best fit to the plots with a single exponential function. D: Voltage-dependency of gm 

calculated from the plots in C. The derivative of current with respect to the membrane potential 

gave the slope conductance gm, which could be approximated by a hyperbolic function, gm = 

Iα / (Vα


 

Vm), where VmE: Examples of sVT. The basal membrane potential was varied 

by constant current injections. The injected currents were +10, +5, 0, –10 pA, from the top 

(light gray) to the bottom (black). F: Conductance calculated from sVT shown in E, based on 

the model shown in A. Four traces are superimposed. G: Plots of the peak amplitude versus 

basal potential. H: Plots of the decay time constant versus basal potential. The decay time 

constant was obtained from the best fit to the decay phase of conductance changes with single 

exponential functions. In G and H, two marks (filled and open circles) represent the data 

obtained from two different cells, and error bars indicate 

±1 SE for multiple events of sVT. 

 

















70 

T. Motomura, Y. Hayashida, and N. Murayama 

the patch-clamp amplifier we used and Em was measured as the resting potential 

under current-clamp. As shown in Fig. 3B-Dgm (a function of membrane potential) 

was also estimated experimentally from the voltage shifts induced by the current steps 

injected to the cell. Likewise, the value of Ex was estimated as shown in Fig. 2C

Since, during sVT, the membrane potential (Vrec) was recorded while the known 

amplitude of current (Iinj) was injected from the electrode, the time-varying gx could 

be calculated from the Kirchhoff’s law, by the equation:  

 

x



m

m

E



}

E

{



dt

d

C





=

(t)



V

(t)

V

g

(t)

V

I

(t)

g

rec

rec

m

rec

inj

x

                           (1) 

 

Fig. 3F shows the calculated time course of gx during the sVT shown in Fig. 3E



Although the sVT were different in amplitude, time course, and polarity when 

measured at different basal potentials (E), the calculated gx fairly resembled each 

other (F). When the peak amplitude of the gx change was plotted against the basal 

membrane potential, little voltage dependency was found at potentials especially 

below –50 mV (Fig. 3G). And also, the decay time constant of the gx change are 

almost constant over the potential we recorded (Fig. 3H). The mean values of peak 

amplitude and decay time constants were in the ranges of 0.1-0.3 nS and 0.1-0.15 sec, 

respectively. These results were quantitatively similar in two cells, as compared the 

plots with different marks in G and H, implying that similar populations of ionic 

channels operated to produce the sVT.  



4   Discussions 

In previous studies, spontaneous voltage/current transients have never been reported 

in acutely dissociated retinal ganglion cells. Here, we made recordings from the 

mammalian retinal ganglion cells dissociated by the recently developed method [8], 

and showed the characteristics of sVT observed in those cells. The present study 

showed that the sVT have the peak amplitude in quantal manner (Fig. 1), and may 

involve K

+

 conductance activation (Fig. 2) which has little or slight voltage-



dependency over the range we examined (Fig. 3). These results are less compatible 

with the idea that the voltage-gated K

+

 conductance are activated spontaneously by 



intracellular messengers like Ca

2+

, as in the dissociated retinal amacrine cells [11]. 



Previous studies have shown that spontaneous postsynaptic potentials or currents can 

be recorded in the single neurons vibrodissociated from brains and spinal cords [1]. 

Since the dissociation protocol we used here utilized the vibrodissociation technique 

[8], it is feasible for us to have the working hypothesis illustrated in Fig. 4, to infer the 

underlying mechanisms of sVT we observed in the retinal ganglion cells. If this 

hypothesis is the case, it enables one to investigate the functional machinery 

controlling the transmitter release in single synaptic terminals under the isolation from 

the axons and neurites [14].  

 

 


 

sVT in Mammalian Retinal Ganglion Cells Dissociated by Vibration 

71 

 


Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling