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Analysis of two kinetically distinct components of transmitter release at a fast synapse of the mammalian central nervous system

Analyse zweier kinetisch unterschiedlicher Komponenten der Transmitterfreisetzung an einer schnellen Synapse des Zentralnervensystems von Säugetieren

by Markus Wölfel
Doctoral thesis
Date of Examination:2005-01-27
Date of issue:2006-01-06
Advisor:Prof. Dr. Erwin Neher
Referee:Prof. Dr. Andreas Stumpner
Referee:Prof. Dr. Hans-Joachim Fritz
Referee:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1406

 

 

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Name:woelfel.pdf
Size:2.43Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Two kinetically distinct components of transmitter release have been observed in Ca2+ uncaging experiments at a CNS synapse in rats, and both release components showed a steep dependence of release kinetics on [Ca2+]i. These findings were based on simultaneous pre- and postsynaptic whole-cell voltage-clamp recordings from the calyx of Held synapse, combined with presynaptic Ca2+ uncaging and [Ca2+]i measurements. Presynaptic transmitter release rates were deconvolved from postsynaptic excitatory currents, which allowed for a correlation between obtained release kinetics and stimulus intensities in terms of presynaptic [Ca2+]i. Furthermore, results could be confirmed by measurements of presynaptic changes in Cm.In control experiments, possible artifacts that might have produced apparent biphasic release during Ca2+ uncaging stimuli were examined. Ca2+ uncaging led to a step-like and spatially homogeneous elevation of [Ca2+]i, and moreover, it was shown that AMPA-receptor saturation, or desensitization were unlikely to have marked effects. Also the impact of rapid refilling of the readily-releasable pool of vesicles was investigated. It was found, that refilling could not account for release to become biphasic, especially regarding the steep [Ca2+]i dependence of the slow release component. Therefore, intrinsic heterogeneity in release probabilities was proposed as the mechanism underlying biphasic release kinetics after Ca2+ uncaging. But still, an additional positional heterogeneity within the fast release component was found to affect fast release during presynaptic depolarizations. Furthermore, the relative contribution of the fast and the slow release component to total release was found to depend on [Ca2+]i. At higher [Ca2+]i, more vesicles with fast kinetics were released as compared to milder Ca2+ uncaging stimuli. Thus, submaximal release of the fast release component at low [Ca2+]i was observed, for the first time at a CNS synapse, and this behavior cannot be explained by previous release models for the calyx of Held synapse. At higher [Ca2+]i, the amount of fast release increased at the expense of the slow component, which indicates convertibility between fast and slowly releasing vesicles, and moreover, slowing of the release time constant of the fast component after modest pre-stimulation was observed experimentally. Based on these findings, a single pool of readily-releasable vesicles with intrinsic heterogeneity was suggested as the mechanism underlying the observed phenomena. Simulations of release confirmed the ability of this novel release model to predict not only biphasic release, but also submaximal fast release at low [Ca2+]i, as experimentally observed.
Keywords: neuron; synapse; vesicle; release; calcium; heterogeneity; model

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Zwei kinetisch unterschiedliche Komponenten der Transmitterfreisetzung wurden in [Ca2+]i-Elevationsexperimenten (Ca2+ uncaging) an einer Synapse des Zentralnervensystems von Ratten beobachtet, und beide Komponenten zeigten in ihrer Freisetzungskinetik eine starke Abhängigkeit von der [Ca2+]. Diese Befunde basieren auf gleichzeitigen prä- und postsynaptischen Ganzzell-Ableitungen von der Held schen Calyx-Synapse unter Spannungsklemme (voltage clamp) und wurden mit präsynaptischer [Ca2+]i-Elevation und [Ca2+]i-Messung kombiniert. Präsynaptische Transmitterfreisetzungsraten wurden mittels postsynaptischer exzitatorischer Ströme dekonvolviert, so daß eine Korrelation der erhaltenen Freisetzungskinetiken mit den Stimulus-Intensitäten in Form von präsynaptischer [Ca2+] ermöglicht wurde. Darüberhinaus konnten diese Ergebnisse anhand von Messungen präsynaptischer Änderungen der Membrankapazität bestätigt werden. In Kontrollexperimenten wurden mögliche Artefakte untersucht, die eventuell eine apparente biphasische Freisetzung während [Ca2+]i-Elevationsexperimenten hätten produzieren können. [Ca2+]i-Elevation führte zu einer schrittartigen und räumlich homogenen Erhöhung der [Ca2+]i. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß ein bemerkenswerter Effekt durch Saturation oder Desensitisierung von AMPA-Rezeptoren unwahrscheinlich war. Auch der Einfluß von schneller Wiederauffüllung des schnell freisetzbaren Vesikelvorrats wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß der Freisetzungsverlauf nicht durch Wiederauffüllung biphasisch werden konnte, insbesondre unter Rücksichtnahme der staken [Ca2+]i-Abhängigkeit der langsamen Freisetzungskomponente. Demzufolge wurde intrinsische Heterogenität als Mechanismus vorgeschlagen, die der biphasischen Freisetzungskinetik nach [Ca2+]i-Elevation zugrunde liegt. Ein zusätzlicher Einfluss auf die Freisetzung durch positionelle Heterogenität innerhalb der schnellen Komponente während präsynaptischer Depolarisationen wurde aber auch beobachtet. Zusätzlich wurde entdeckt, daß der relative Beitrag der schnellen und der langsamen Freisetzungskomponente von der [Ca2+]i abhängt. Bei höherer [Ca2+]i wurden mehr Vesikel mit schneller Kinetik freigesetzt als bei schwächeren [Ca2+]i-Elevationsstimuli. Demnach konnte submaximale Freisetzung der schnellen Freisetzungskomponente bei niedriger [Ca2+]i zum ersten Mal an einer Synapse des Zentralnervensystems beobachtet werden, und dieses Verhalten kann nicht mit bereits existierenden Modellen der Transmitterfreisetzung erklärt werden. Bei höherer [Ca2+]i stieg der Anteil an schneller Freisetzung auf Kosten der langsamen Komponente, und dies deutet auf eine Konvertibilität zwischen schnell und langsam freisetzenden Vesikeln hin. Eine Verlangsamung der Zeitkonstante der schnellen Freisetzung nach schwacher Vorstimulation konnte darüber hinaus experimentell beobachtet werden.
Schlagwörter: Neuron; Synapse; Vesikel; Freisetzung; Calcium; Heterogenität; Modell
 

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