Induction of GABAegic synapses in the somatosensory cortex of mice during associative learning

Kora baryłkowa gryzoni, gdzie reprezentowane są wibrysy i droga nerwowa wiodąca od wibrys do baryłek jest użytecznym modelem badania plastyczności neuronalnej towarzyszącej asocjacyjnemu uczeniu. Warunkowanie klasyczne, w którym stymulacja wibrys jest sprzężona ze słabym bodźcem elektrycznym w ogon, powoduje "metaboliczną" ekspansję obszaru kory odpowiadającej stymulowanym wibrysom. Wyniki wcześniejszych badań wskazują, że zmianom metabolicznym towarzyszy wzrost ilości mRNA dla białka GAD67, jak również samego GAD67 (izoformy enzymu syntetyzującego kwas gamma-aminomasłowy - GABA) w badanym rejonie kory. Celem niniejszej pracy było znalezienie strukturalnych korelatów zmian plastycznych zachodzących w procesie uczenia asocjacyjnego.W pracy analizowano gęstość symetrycznych (hamujących) i asymetrycznych (pobudzeniowych) synaps oraz ilościowe i morfologiczne zmiany kolców dendrytycznych w baryłkach odpowiadających stymulowanym wibrysom przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dodatkowo przy użyciu metody immunocytochemicznej połączonej z EM badano poziom neuroprzekaźnika GABA w hamujących zakończeniach presynaptycznych reprezentujących stymulowane wibrysy. Uzyskane w niniejszej pracy wynik i pokazują, że krótkotrwałe warunkowanie klasyczne prowadzi do tworzenia dwusynaptycznych kolców dendrytycznych de novo lub w wyniku dodawania synaps hamujących do już istniejących kolców dendrytycznych z pojedynczą synapsą pobudzeniową. Stwierdzono ponadto, że uczenie asocjacyjne zmienia morfologię dwusynaptycznych kolców dendrytycznych skracając ich długość i zwiększając pole przekroju poprzecznego ich szyjek. Poza tym warunkowanie prowadzi do podwyższenia poziomu GABA w zakończeniach presynaptycznych "trenowanych" baryłek. Uczenie asocjacyjne wywołuje więc szybkie i wyraźnie zaznaczone zmiany strukturalne związane z przekaźnictwem hamującym. Zmiany te obserwowane są w ściśle określonym regionie mózgu i dotyczą konkretnego rodzaju synaps i kolców dendrytycznych.

The barrel cortex of rodents, where vibrissae are represented, and its afferent pathway from the vibrissae is a very useful model for studying associative learning-dependent neuronal plasticity. Classical conditioning, in which stimulation of a row of whiskers is paired with mild electric shock to the tail, produces 'metabolic' expansion of cortical representations of the stimulated vibrissae. Previeus data indicate that the metabolic changes are accompanied by an up-regulation of mRNA of GAD67 and also GAD67 protein within the affected barrels (isoform of enzyme synthesizing gamma amino-butyric acid - GABA) within the affected barrels. The aim of this study was to detect the structural correlates of the plastici changes induced by associative learning. The density of symmetric (inhibitory) and asymmetric (excitatory) synapses and as well as quantitative and the morphological changes of dendritic spines in the barrels representing the stimulated vibrissae were analyzed using transmission electron microscopy. In addition, using the immunocytochemical method, the level of GABA in the inhibitory presynaptic terminals were examined. The results indicate that short-lasting classical conditioning either leads to the formation of the double-synapse spines de novo or through selective addition of inhibitory synapses to the pre-existing single-excitatory synapse spines. It was also found that associative learning modulates morphology of the double synapse spines by decreasing their lenght and increasing the cross-section area of their necks. Moreover, classical conditioning leads to the increase of GABA in the inhibitory presynaptic terminals of ‘trained’ barrels. In conclusion, associative learning induced rapid and pronounced structural changes in the inhibitory transmission. These changes are localized in a strictly definite region of brain and were connected to a strictly definite type of synapses and dendritic spines.