The medial vestibular nucleus (MVN) neurons are controlled by excitatory synaptic transmission from the vestibular afferent and commissural projections, and by inhibitory transmission from interneurons. Spontaneous synaptic currents of MVN neurons were studied using whole cell patch clamp recording in slices prepared from 13- to 17-day-old rats. The spontaneous inhibitory postsynaptic currents (sIPSCs) were significantly reduced by the $GABA_A$ antagonist bicuculline ($20{\mu}M$), but were not affected by the glycine antagonist strychnine ($1{\mu}M$). The frequency, amplitude, and decay time constant of sIPSCs were $4.3{\pm}0.9$ Hz, $18.1{\pm}2.0$ pA, and $8.9{\pm}0.4$ ms, respectively. Spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) were mediated by non-NMDA and NMDA receptors. The specific AMPA receptor antagonist GYKI-52466 ($50{\mu}M$) completely blocked the non-NMDA mediated sEPSCs, indicating that they are mediated by an AMPA-preferring receptor. The AMPA mediated sEPSCs were characterized by low frequency ($1.5{\pm}0.4$ Hz), small amplitude ($13.9{\pm}1.9$ pA), and rapid decay kinetics ($2.8{\pm}0.2$ ms). The majority (15/21) displayed linear I-V relationships, suggesting the presence of GluR2-containing AMPA receptors. Only 35% of recorded MVN neurons showed NMDA mediated currents, which were characterized by small amplitude and low frequency. These results suggest that the MVN neurons receive excitatory inputs mediated by AMPA, but not kainate, and NMDA receptors, and inhibitory transmission mediated by $GABA_A$ receptors in neonatal rats.
Following peripheral nerve injury, excessive nociceptive inputs result in diverse physiological alterations in the spinal cord substantia gelatinosa (SG), lamina II of the dorsal horn. Here, I report the alterations of excitatory or inhibitory transmission in the SG of a rat model for neuropathic pain ('spared nerve injury'). Results from whole-cell recordings of SG neurons show that the number of distinct primary afferent fibers, identified by graded intensity of stimulation, is increased at 2 weeks after spared nerve injury. In addition, short-term depression, recognized by paired-pulse ratio of excitatory postsynaptic currents, is significantly increased, indicating the increase of glutamate release probability at primary afferent terminals. The peripheral nerve injury also increases the amplitude, but not the frequency, of spontaneous inhibitory postsynaptic currents. These data support the hypothesis that peripheral nerve injury modifies spinal pain conduction and modulation systems to develop neuropathic pain.
The superficial dorsal horn, particularly substantia gelatinosa (SG) in the spinal cord, receives inputs from small-diameter primary afferents that predominantly convey noxious sensation. Reactive oxygen species (ROS) are toxic agents that may be involved in various neurodegenerative diseases. Recent studies indicate that ROS are also involved in persistent pain through a spinal mechanism. In the present study, whole cell patch clamp recordings were carried out on SG neurons in spinal cord slice of young rats to investigate the effects of hydrogen peroxide on neuronal excitability and excitatory synaptic transmission. In current clamp condition, tert-buthyl hydroperoxide (t-BuOOH), an ROS donor, depolarized membrane potential of SG neurons and increased the neuronal firing frequencies evoked by depolarizing current pulses. When slices were pretreated with phenyl-N-tert-buthylnitrone (PBN) or ascorbate, ROS scavengers, t-BuOOH did not induce hyperexcitability. In voltage clamp condition, t-BuOOH increased the frequency and amplitude of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs), and monosynaptically evoked excitatory postsynaptic currents (eEPSCs) by electrical stimulation of the ipsilateral dorsal root. These data suggest that ROS generated by peripheral nerve injury can modulate the excitability of the SG neurons via pre- and postsynaptic actions.
Purpose: Naftopidil ((${\pm}$)-1-[4-(2-methoxyphenyl) piperazinyl]-3-(1-naphthyloxy) propan-2-ol) is prescribed in several Asian countries for lower urinary tract symptoms suggestive of benign prostatic hyperplasia. Previous animal experiments showed that intrathecal injection of naftopidil abolished rhythmic bladder contraction in vivo. Naftopidil facilitated spontaneous inhibitory postsynaptic currents in substantia gelatinosa (SG) neurons in spinal cord slices. These results suggest that naftopidil may suppress the micturition reflex at the spinal cord level. However, the effect of naftopidil on evoked excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in SG neurons remains to be elucidated. Methods: Male Sprague-Dawley rats at 6 to 8 weeks old were used. Whole-cell patch-clamp recordings were made using SG neurons in spinal cord slices isolated from adult rats. Evoked EPSCs were analyzed in $A{\delta}$ or C fibers. Naftopidil or prazosin, an ${\alpha}1$-adrenoceptor blocker, was perfused at $100{\mu}M$ or $10{\mu}M$, respectively. Results: Bath-applied $100{\mu}M$ naftopidil significantly decreased the peak amplitudes of $A{\delta}$ and C fiber-evoked EPSCs to $72.0%{\pm}7.1%$ (n=15) and $70.0%{\pm}5.5%$ (n=20), respectively, in a reversible and reproducible manner. Bath application of $100{\mu}M$ prazosin did not inhibit $A{\delta}$ or C fiber-evoked EPSCs. Conclusions: The present study suggests that a high concentration of naftopidil reduces the amplitude of evoked EPSCs via a mechanism that apparently does not involve ${\alpha}1$-adrenoceptors. Inhibition of evoked EPSCs may also contribute to suppression of the micturition reflex, together with nociceptive stimulation.
Spinal dorsal horn nociceptive neurons have been shown to undergo long-term synaptic plasticity, including long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). Here, we focused on the spinothalamic tract (STT) neurons that are the main nociceptive neurons projecting from the spinal cord to the thalamus. Optical technique using fluorescent dye has made it possible to identify the STT neurons in the spinal cord. Evoked fast mono-synaptic, excitatory postsynaptic currents (eEPSCs) were measured in the STT neurons. Time-based tetanic stimulation (TBS) was employed to induce long-term potentiation (LTP) in the STT neurons. Coincident stimulation of both pre- and postsynaptic neurons using TBS showed immediate and persistent increase in AMPA receptor-mediated EPSCs. LTP can also be induced by postsynaptic spiking together with pharmacological stimulation using chemical NMDA. TBS-induced LTP observed in STT neurons was blocked by internal BAPTA, or $Ni^{2+}$, a T-type VOCC blocker. However, LTP was intact in the presence of L-type VOCC blocker. These results suggest that long-term plastic change of STT neurons requires NMDA receptor activation and postsynaptic calcium but is differentially sensitive to T-type VOCCs.
Reactive oxygen species (ROS) are toxic agents that may be involved in various neurodegenerative diseases. Recent studies indicate that ROS are also involved in persistent pain through a spinal mechanism. In the present study, whole cell patch clamp recordings were carried out on substantia gelatinosa (SG) neurons in spinal cord slice of neonatal rats to investigate the effects of ROS on neuronal excitability and excitatory synaptic transmission. In current clamp condition, tert-buthyl hydroperoxide (t-BuOOH), an ROS donor, induced a electrical hyperexcitability during t-BuOOH wash-out followed by a brief inhibition of excitability in SG neurons. Application of t-BuOOH depolarized membrane potential of SG neurons and increased the neuronal firing frequencies evoked by depolarizing current pulses. Phenyl-N-tert-buthylnitrone (PBN), an ROS scavenger, antagonized t-BuOOH induced hyperexcitability. IN voltage clamp conditions, t-BuOOH increased the frequency and amplitude of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs). In order to determine the site of action of t-BuOOH, miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) were recorded. t-BuOOH increased the frequency and amplitude of mEPSCs, indicating that it may modulate the excitability of the SG neurons via pre- and postsynaptic actions. These data suggest that ROS generated by peripheral nerve injury can induce central sensitization in spinal cord.
Reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) are involved in cellular signaling processes as a cause of oxidative stress. According to recent studies, ROS and RNS are important signaling molecules involved in pain transmission through spinal mechanisms. In this study, a patch clamp recording was used in spinal slices of rats to investigate the action mechanisms of $O_2{^{{\bullet}_-}}$ and NO on the excitability of substantia gelatinosa (SG) neuron. The application of xanthine and xanthine oxidase (X/XO) compound, a ROS donor, induced inward currents and increased the frequency of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSC) in slice preparation. The application of S-nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine (SNAP), a RNS donor, also induced inward currents and increased the frequency of sEPSC. In a single cell preparation, X/XO and SNAP had no effect on the inward currents, revealing the involvement of presynaptic action. X/XO and SNAP induced a membrane depolarization in current clamp conditions which was significantly decreased by the addition of thapsigargin to an external calcium free solution for blocking synaptic transmission. Furthermore, X/XO and SNAP increased the frequency of action potentials evoked by depolarizing current pulses, suggesting the involvement of postsynaptic action. According to these results, it was estblished that elevated ROS and RNS in the spinal cord can sensitize the dorsal horn neurons via pre- and postsynaptic mechanisms. Therefore, ROS and RNS play similar roles in the regulation of the membrane excitability of SG neurons.
Echinacoside, an active compound in the herb Herba Cistanche, has been reported to inhibit glutamate release. In this study, we investigated the effects of echinacoside on spontaneous excitatory synaptic transmission changes induced by 4-aminopyridine (4-AP), by using the in vitro rat hippocampal slice technique and whole-cell patch clamp recordings from CA3 pyramidal neurons. Perfusion with echinacoside significantly suppressed the 4-AP-induced epileptiform activity in a concentration-dependent manner. Echinacoside reduced 4-AP-induced increase in frequency of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) but it did not affect the amplitude of sEPSCs or glutamate-activated currents, implicating a presynaptic mechanism of action. Echinacoside also potently blocked sustained repetitive firing, which is a basic mechanism of antiepileptic drugs. These results suggest that echinacoside exerts an antiepileptic effect on hippocampal CA3 pyramidal neurons by simultaneously decreasing glutamate release and blocking abnormal firing synchronization. Accordingly, our study provides experimental evidence that echinacoside may represent an effective pharmacological agent for treating epilepsy.
Conventional views of synaptic transmission generally overlook the possibility of 'postfusional-control' the regulation of the speed or completeness of transmitter release upon vesicular fusion. However, such regulation often occurs in non-neuronal cells where the dynamics of fusion-pore opening is critical for the speed of transmitter release. In case of synapses, the slower the transmitter release, the smaller the size and rate-of-rise of postsynaptic responses would be expected if postsynaptic neurotransmitter receptors were not saturated. This prediction was tested at hippocampal synapses where postsynaptic AMPA-type glutamate receptors (AMPAR) were not generally saturated. Here, we found that the small miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) showed significantly slower rise times than the large mEPSCs when the sucrose-induced mEPSCs recorded in cyclothiazide (CTZ), a blocker for AMPAR desensitization, were sorted by size. The slow rise time of the small mEPSCs might result from slow release through a non-expanding fusion pore, consistent with postfusional control of neurotransmitter release at central synapses.
Long-term potentiation (LTP) at hippocampal CA3-CA1 synapses is often associated with increases in quantal size, traditionally attributed to enhanced availability or efficacy of postsynaptic glutamate receptors. However, augmented quantal size might also reflect increases in neurotransmitter concentration within the synaptic cleft since AMPA-type glutamate receptors are not generally saturated during basal transmission. Here we report evidence that peak cleft glutamate concentration $([glu]_{cleft})$ increases during LTP, as indicated by a lessening of the blocking effects of rapidly unbinding antagonists of AMPA. The efficacy of slowly equilibrating antagonists remained unchanged. The elevated $[glu]_{cleft}$ helps support the increased quantal amplitude of AMPA-type EPSCs (excitatory postsynaptic currents) during LTP.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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