Investigation of Neuron Latency Modulated by Bilateral Inferior Collicular Interactions Using Whole-Cell Patch Clamp Recording in Brain Slices

As the final level of the binaural integration center in the subcortical nucleus, the inferior colliculus (IC) plays an essential role in receiving binaural information input. Previous studies have focused on how interactions between the bilateral IC affect the firing rate of IC neurons. However, little is known concerning how the interactions within the bilateral IC affect neuron latency. In this study, we explored the synaptic mechanism of the effect of bilateral IC interactions on the latency of IC neurons. We used whole-cell patch clamp recordings to assess synaptic responses in isolated brain slices of Kunming mice. The results demonstrated that the excitation-inhibition projection was the main projection between the bilateral IC. Also, the bilateral IC interactions could change the reaction latency of most neurons to different degrees. The variation in latency was related to the type of synaptic input and the relative intensity of the excitation and inhibition. Furthermore, the latency variation also was caused by the duration change of the first subthreshold depolarization firing response of the neurons. The distribution characteristics of the different types of synaptic input also differed. Excitatory-inhibitory neurons were widely distributed in the IC dorsal and central nuclei, while excitatory neurons were relatively concentrated in these two nuclei. Inhibitory neurons did not exhibit any apparent distribution trend due to the small number of assessed neurons. These results provided an experimental reference to reveal the modulatory functions of bilateral IC projections.

Dual-Cell Patch-Clamp Recording Revealed a Mechanism for a Ribbon Synapse to Process Both Digital and Analog Inputs and Outputs

A chemical synapse is either an action potential (AP) synapse or a graded potential (GP) synapse but not both. This study investigated how signals passed the glutamatergic synapse between the rod photoreceptor and its postsynaptic hyperpolarizing bipolar cells (HBCs) and light responses of retinal neurons with dual-cell and single-cell patch-clamp recording techniques. The results showed that scotopic lights evoked GPs in rods, whose depolarizing Phase 3 associated with the light offset also evoked APs of a duration of 241.8 ms and a slope of 4.5 mV/ms. The depolarization speed of Phase 3 (Speed) was 0.0001–0.0111 mV/ms and 0.103–0.469 mV/ms for rods and cones, respectively. On pairs of recorded rods and HBCs, only the depolarizing limbs of square waves applied to rods evoked clear currents in HBCs which reversed at −6.1 mV, indicating cation currents. We further used stimuli that simulated the rod light response to stimulate rods and recorded the rod-evoked excitatory current (rdEPSC) in HBCs. The normalized amplitude (R/Rmax), delay, and rising slope of rdEPSCs were differentially exponentially correlated with the Speed (all p < 0.001). For the Speed < 0.1 mV/ms, R/Rmax grew while the delay and duration reduced slowly; for the Speed between 0.1 and 0.4 mV/ms, R/Rmax grew fast while the delay and duration dramatically decreased; for the Speed > 0.4 mV/ms, R/Rmax reached the plateau, while the delay and duration approached the minimum, resembling digital signals. The rdEPSC peak was left-shifted and much faster than currents in rods. The scotopic-light-offset-associated major and minor cation currents in retinal ganglion cells (RGCs), the gigantic excitatory transient currents (GTECs) in HBCs, and APs and Phase 3 in rods showed comparable light-intensity-related locations. The data demonstrate that the rod-HBC synapse is a perfect synapse that can differentially decode and code analog and digital signals to process enormously varied rod and coupled-cone inputs.

Whole Cell PatchClamp Electrophysiology in Opsin-Expressing Brain Slice with Visible Lights or UCNPs

It describes the flow of whole cell patch-clamp electrophysiology in mice brain slice.

Whole Cell Patch Clamp of Dispersed Human Islet Cells v1

Cells use exocytosis to secrete a wide variety of molecules, including proteins, hormones, and neurotransmitters. Exocytosis can be monitored at the single-cell level by using patch-clamp electrophysiology to measure changes in membrane capacitance as vesicles fuse with the cell membrane and release their content. Dispersion of pancreatic islets into single cells allows for individual characterization of electrophysiological characteristics and allows for collection of cellular content for recovery of full-length transcriptomes by use of Smart-seq2. Described in this protocol is the dispersion of pancreatic islets into single cells followed by whole-cell patch clamp electrophysiology which includes parameters representing cell size, exocytosis, sodium channel currents, and calcium channel currents. Cells are then collected individually after recording to be processed for single-cell RNA sequencing.

In Vivo Whole-Cell Patch-Clamp Methods: Recent Technical Progress and Future Perspectives

Brain functions are fundamental for the survival of organisms, and they are supported by neural circuits consisting of a variety of neurons. To investigate the function of neurons at the single-cell level, researchers often use whole-cell patch-clamp recording techniques. These techniques enable us to record membrane potentials (including action potentials) of individual neurons of not only anesthetized but also actively behaving animals. This whole-cell recording method enables us to reveal how neuronal activities support brain function at the single-cell level. In this review, we introduce previous studies using in vivo patch-clamp recording techniques and recent findings primarily regarding neuronal activities in the hippocampus for behavioral function. We further discuss how we can bridge the gap between electrophysiology and biochemistry.

Making In Situ Whole-Cell Patch-Clamp Recordings from Xenopus laevis Tadpole Neurons

Xenopus laevis tadpoles have been an excellent, simple vertebrate model for studying the basic organization and physiology of the spinal cord and motor centers in the brainstem. In the past, intracellular recordings from the spinal and brainstem neurons were primarily made using sharp electrodes, although whole-cell patch-clamp technology has been around since the early 1980s. In this protocol, I describe the dissections and procedures needed for in situ whole-cell patch-clamp recording, which has become routine in tadpole neurophysiology since the early 2000s. The critical step in the dissections is to delicately remove some ependymal cells lining the tadpole neurocoele in order to expose clean neuronal somata without severing axon tracts. Whole-cell recordings can then be made from the somata in either current- or voltage-clamp mode.

Die Konsequenzen der zeitspezifischen Deletion von Neuroligin 2 für die synaptische Übertragung, Plastizität und neuronale Exzitabilität im Gyrus Dentatus von adulten Mäusen

Eines der übergeordneten Ziele neurowissenschaftlicher Grundlagenforschung ist es, die Pathomechanismen neuropsychiatrischer Erkrankungsbilder besser zu verstehen. Als Erklärungsmodell für einige dieser Erkrankungen dient unter anderem ein gestörtes Verhältnis zwischen Exzitation und Inhibition im Gehirn. Synaptische Strukturproteine sind wichtige Modulatoren dieses Verhältnisses. Für eine unbeeinträchtigte inhibitorische synaptische Transmission spielt das postsynaptische Zelladhäsionsprotein Neuroligin 2 eine maßgebliche Rolle, um das Gleichgewicht zwischen Exzitation und Inhibition aufrechtzuerhalten. Neuroligin 2 ist an der inhibitorischen Synapse lokalisiert und beeinflusst die Entwicklung, Reifung und Funktion dieser Synapse. Die klinische Relevanz von Neuroligin 2 wurde bereits bei zahlreichen Erkrankungsbildern wie Schizophrenie, Depression oder Epilepsie im Rahmen von Studien nachgewiesen. Um das Verhältnis zwischen Exzitation und Inhibition in vivo sowie Mechanismen der synaptischen Übertragung und Plastizität zu untersuchen, hat sich die Ableitung von Feldpotentialen im Gyrus Dentatus des Hippocampus etabliert. Im Neuroligin 2 Knockout Mausmodell konnte bereits gezeigt werden, dass eine pränatale Deletion dieses Proteins eine stark erhöhte Erregbarkeit der Körnerzellen und eine verminderte GABAerge Netzwerkinhibition im Gyrus Dentatus in vivo zur Folge hat. Unklar blieb bisher, ob diese durch den konventionellen Neuroligin 2 Knockout (pränatal) hervorgerufenen Netzwerkveränderungen alleine auf das Fehlen dieses Proteins zurückzuführen sind oder durch eine zusätzliche Beeinträchtigung der Hirnentwicklung hervorgerufen werden. Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, die Rolle von Neuroligin 2 im Gyrus Dentatus durch einen induzierten Knockout in adulten Mäusen (postnatal) unabhängig von einem möglichen Entwicklungseffekt zu klären. Dazu wurde im ersten methodischen Schritt dieser Dissertation durch orale Tamoxifen-Gabe eine zeitspezifische konditionale Eliminierung von Neuroligin 2 in genetisch modifizierten, adulten Mäusen erzielt. Im Anschluss an diese konditionale Eliminierung wurde die synaptische Transmission, Plastizität sowie neuronale Erregbarkeit von Körnerzellen im Gyrus Dentatus mittels elektrophysiologischer Experimente untersucht. Hierzu wurde zunächst der Tractus Perforans und die Körnerzellschicht durch stereotaktische Chirurgie in anästhesierten Mäusen lokalisiert. Anschließend wurde eine Stimulation des Tractus Perforans sowie eine Ableitung von Feldpotentialen im Gyrus Dentatus durchgeführt. Um die Erregbarkeit der Körnerzellen, die synaptische Transmission, Kurz- und Langzeitplastizität sowie Netzwerkinhibition im Gyrus Dentatus zu analysieren, wurden unterschiedliche Stimulationsprotokolle verwendet. Im Anschluss an die elektrophysiologischen Experimente wurden die Hippocampi beidseitig entnommen, konserviert und später einer Proteinquantifizierung von Neuroligin 2 mittels Western-Blotting unterzogen. Die Ergebnisse zeigten ein signifikant verringertes Proteinlevel von Neuroligin 2 auf 41,07% im Hippocampus von konditionalen Neuroligin 2 Knockout Mäusen. Unter dieser Reduktion von Neuroligin 2 in adulten Mäusen war die in vivo Erregbarkeit der Körnerzellen des Gyrus Dentatus sowie GABAerge Netzwerkinhibition weitgehend unbeeinträchtigt und die signifikanten Beobachtungen des konventionellen Knockout Modells ließen sich nicht reproduzieren. Aufgrund der unvollständigen Proteinreduktion lässt sich jedoch nicht abschließend beurteilen, ob die Restmenge den elektrophysiologischen Effekt kompensiert oder ob die im konventionellen Neuroligin 2 Knockout Modell beobachteten Effekte auf eine ausschließliche Rolle von Neuroligin 2 in der Hirnentwicklungsperiode zurückzuführen sind. Kürzlich veröffentlichte Daten zeigten allerdings, dass die postnatale Deletion von Neuroligin 2 in anderen Hirnregionen zu einer verminderten Netzwerkinhibition führt. Neben der hier verwendeten in vivo Methodik ist eine Ergänzung von Untersuchungen in nicht-anästhesierten Tieren sowie Messungen einzelner Zellen durch whole-cell patch-clamp Untersuchungen in vitro oder in vivo zu erwägen. Es sollte dabei auf eine konditionale Proteineliminierung geachtet werden, damit mögliche Kompensationsmechanismen weitgehend ausgeschlossen werden können. Eine weiterführende immunhistochemische Bildgebung der Hippocampuspräparate, wie sie im konventionellen Knockout durchgeführt wurde, könnte sich hierbei ebenso als aufschlussreich für die Funktion von Neuroligin 2 im Hippocampus des adulten Tieres erweisen.