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.2011年9月；7（9）：e1002149。
doi:10.1371/journal.pcbi.1002149。 Epub 2011年9月8日。

突触抑制的有效性取决于氯化物稳态中涉及的多种动态相互作用机制

尼古拉斯·多扬 1, 史蒂文·普雷斯科特, 安妮·卡斯通圭, 安托万·戈丁, 赫尔穆特·克罗格, 伊夫·德科宁克
附属公司

突触抑制的有效性取决于氯稳态中涉及的多种动态相互作用机制

尼古拉斯·多扬等人。 公共科学图书馆计算生物学. 2011年9月.

摘要

氯稳态是GABA（a）受体介导的抑制强度和鲁棒性的关键决定因素。稳态Cl（-）梯度变化的影响相对简单易懂，但Cl（–）内流、扩散、挤压以及与其他离子物种的相互作用之间的动态相互作用如何影响突触信号传递仍不确定。在这里，我们使用电扩散模型来研究这些过程之间的非线性相互作用。结果表明，扩散对快速重新分配细胞内Cl（-）负荷至关重要，而Cl（–）挤出控制稳态水平。即使KCC2均匀分布在细胞中，扩散和挤压之间的相互作用也会导致体-枝晶Cl（-）梯度。降低KCC2活性导致GABA（A）R介导的抑制效果降低，但由于Cl（-）的活性依赖性积累，增加GABA（A-R输入无法完全补偿这种去抑制形式。此外，如果尽管存在GABA（A）R输入，但峰值持续存在，则Cl（-）积累会因峰值期间发生的较大Cl（–）驱动力而加速。由此产生的正反馈回路导致了灾难性的抑制失效。模拟还揭示了其他反馈回路，例如Cl（-）和pH调节之间的竞争。几个模型预测通过[Cl（-）]（i）成像实验进行了测试和确认。因此，我们的研究揭示了Cl（-）调节如何依赖于多种动态相互作用机制。此外，该模型显示，将KCC2活性提高到正常水平以上不会对放电频率产生负面影响，也不会导致细胞外钾（-）的明显积累，这表明提高KCC2活性是一种有效的治疗干预策略。

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利益冲突声明

提交人声明，不存在相互竞争的利益。

数字

图1
图1。模型的总结和初步验证。
A类.显示几何和隔间尺寸的模型神经元示意图。B。模型中包含的离子通量机制总结（有关详细信息，请参见方法）。未描述细胞外空间的扩散。C、。膜电位和[K的样品迹线+]o个在胞体周围的细胞外外壳和[Cl中测量−]我在胞体（黑色）和树突（红色）中测量。这只是离子种类的一个子集，其浓度在所有隔间中都得到了持续监测，并从中不断更新反转电位。D。正如预测的那样，将KCC2降低到其“正常”水平（100%）以下会导致E类 氯和E类 GABA公司而KCC2升高至正常值以上400%仅导致轻微超极化偏移。模拟包括背景突触输入（f） inh公司 =  0.8赫兹和（f） 交易所 =  0.2 Hz/突触。虚线表示200 s内平均的膜电位平均值。E。反转电位也取决于GABA的速率A类R输入，指示Cl−神经元所经历的负荷。增加的（f） inh公司导致去极化偏移E类 氯当KCC2降低时，其程度增加。对于这些模拟，（f） inh公司/（f） 交易所比率固定为4（f） inh公司变化范围为0.05 Hz至4.8 Hz。虚线表示用紧张GABA进行模拟的结果A类电导而实线表示在没有它的情况下进行的模拟。
图2
图2。[Cl的测量−]我使用荧光寿命成像显微镜（FLIM）检测MQAE神经元。
答：。MQAE负载海马神经元的双光子激发荧光（26 DIV）。细胞体1和2内MQAE荧光的平均强度存在显著差异(左边)，可以解释为指示不同水平的[Cl−]我或者两个细胞对染料的吸收和积累不同。相同细胞的寿命图显示在正确的注意，与强度相反，两个细胞的荧光寿命没有显著差异，表明[Cl−]我在两个单元格之间。数值为每个细胞体中所有像素的平均值±S.D。B。不同[Cl下MQAE寿命的测量−]我膜渗透和与[Cl平衡后在细胞体内−]o个8、15或20 mM（N=73个电池/12个盖玻片）。根据Stern-Volmer方程：τ0/τ=1+Ksv[Cl−]. 根据这些数据测得的Ksv为32 M−1，与之前的报告一致。C类.增加速尿浓度（以阻断KCC2）对[Cl的影响−]我在暴露于100µM麝香酚的培养神经元中−通过打开GABA加载A类R；N＝75个细胞/10个盖玻片）。D类选择性KCC2拮抗剂VU 0240551使[Cl显著增加，且呈剂量依赖性−]我（p<0.05），但布美他胺单独或在用VU 0240551阻断KCC2后没有显著（n.s.）效果，表明这些细胞中缺乏显著的NKCC1转运（每个bar中显示的n=细胞/盖玻片；***，p<0.001）。
图3
图3。细胞内Cl的再分布−通过电扩散。
答：。氯化物通过单一GABA流入A类在50 Hz下激活的R突触（位于距胞体200µm处）在[Cl−]我在输入的每一侧延伸60µm。B。通过单个GABA的氯化物流入A类R突触（这次位于距胞体50µm处）产生的纵向梯度向胞体（向心扩散）陡于远离胞体（离心扩散）。对于该模拟，我们使用具有恒定直径的枝晶，以确保左右面板之间的差异是由于胞体的下沉效应，而不是由于枝晶的圆锥形。与图1中总结的细胞几何结构相比，我们还加长了树枝晶，并将隔间数量增加到60个。C、。氯离子扩散−测量正常和低（10%）KCC2水平下，在不同突触间距离下，通过一个突触（50 Hz激活）进入第二个“测试”突触（5 Hz激活）。两个突触同时被激活。对于位于同一初级树突（上面板）上的突触，测试突触的[Cl显著增加−]我尤其是当KCC2减少，但Cl没有明显扩散时−位于不同初级树突上的突触之间（下面板）。
图4
图4。一种直立的树突状氯离子−梯度是KCC2活性和GABA共同作用的结果A类R介导的突触输入。
答：。[Cl的分布−]我在Cl存在和不存在的情况下，模拟树突中与体细胞距离的函数−分布突触活动和Cl引起的负荷−通过均匀分布的KCC2挤压。B类.装有MQAE的示例电池的显微照片，带有寿命颜色编码（蓝色：低Cl−浓度，红色：高Cl−浓度）。细胞内Cl−在存在muscimol（Musc；100µM）和/或荷包牡丹碱（Bic；100μM）和（或）速尿（Furo；200µM。箭头表示进行测量的位置。C类.GABA的补益激活作用A类[Cl上muscimol的Rs−]我在实际树突中，作为与体细胞距离的函数（每个数据点代表10–12个神经元的平均±SEM；每个细胞的多个树突的值是平均值）。将荷包牡丹碱和/或速尿和/或VU 0240551添加到区块Cl−分别进行加载和挤压。
图5
图5。在培养的神经元树突中，KCC2的密度是恒定的。
A类三张共聚焦图像拼接显示用荧光抗KCC2抗体免疫染色的神经元。图像大小为1024×1024像素，像素大小为0.115µm，像素停留时间为9.1µs。三个红色方块代表分析的示例区域，如下所示B类，使用相应的二元掩模来描绘标记的树枝晶。划分的代表性分区的强度直方图A类如所示B类其对应的SpIDA拟合和单体恢复值（N1)和二聚体（N2)密度。距离（例如。，d日在里面A类)还测量了细胞体中心和分析区域中心之间的距离。C类枝晶表面KCC2二聚体密度与SpIDA获得的细胞体距离的函数关系图。从27个神经元中分析了823个区域。误差条显示SEM。
图6
图6。不均匀的CCC分布可产生大规模但非精细的细胞内[Cl−]我梯度。
答：。 左边：研究KCC2的突触周围分布是否能产生精细的细胞内[Cl−]我梯度，我们通过将KCC2集中在每个隔室的单个位置，在距突触爆发不同距离处，改变KCC2的亚隔室分布。我们将隔间分为20个1µm长的部分。每个隔室的KCC2总量恒定在100%。抑制性突触彼此相距20µm，并在高频下被激活。赖特：结果表明，小室分布对突触周值影响不大E类 氯，这与高频突触输入的影响形成对比（见图3），但与负责细胞内Cl快速重新分布的扩散相一致−负载。B。在没有突触活动的情况下，我们在轴突起始段（AIS）插入不同水平的NKCC1活性，并监测轴突-躯体-树突状细胞[Cl−]我KCC2活性高（100%）和低（33%）水平的梯度（均匀分布，AIS除外）。Soma对应于上的0x个-轴线；如左图所示，正距离向树突延伸，负距离向轴突延伸。C、。存在背景突触活动(（f） inh公司 =  0.4赫兹；（f） 交易所 =  0.1 Hz），我们模拟了不同水平的KCC2活性（均匀分布，AIS除外），并监测了轴-体-树突状[Cl−]我AIS中存在（100%）或不存在NKCC1时的梯度。
图7
图7。Cl的依赖性−突触输入部位的积累和KCC2水平。
在模拟中，位于四个位置之一的突触处的抑制性突触后电流（IPSC）序列（40 Hz）：胞体和近端、中间和远端树突（分别距胞体40、100和240µm）(A类)和(B类)背景突触输入(（f） inh公司 =  0.4赫兹，（f） 交易所 =  0.1赫兹）。在这组模拟中，相对于图1A中总结的细胞几何形状，单个树枝晶被延长（隔间数量增加到60个）。在没有KCC2的条件下，远端树突中IPSC的反转明显(右侧面板).C类.平均爆发内IPSC变小(即超极化程度降低）。突触背景活性与B类平均IPSC是在模拟时间50秒内，以40赫兹每秒200毫秒的频率激活的“测试”突触上测量的。稳态值E类 氯(D类)和速率E类 氯接近稳态(E类)对于不同的KCC2水平和“测试”突触与胞体的距离。稳态E类 氯在中报告D类测量值为E类 氯GABA时收敛A类测试突触的R被人为打开。该收敛与一个单指数拟合，以确定报告的时间常数E类.
图8
图8。抑制效果取决于GABA的时空特征A类R输入。
答：。示意图显示突触定位(左侧面板). GABA公司A类R输入聚集在单个突触上(红色)产生的外向电流小于分布在十个空间分离突触上的相同总输入电流(绿色)尤其是对远端树突的输入(中央面板). 确保“总电荷”转化为功能相关抑制(即减少峰值），我们将模型提交给分布式兴奋性输入(（f） 交易所 =  0.2 Hz）和测量的燃烧率。正如预期的那样，当抑制输入空间分布时，放电频率的降低幅度更大(右侧面板).B。通过“测试”突触的净电荷(颜色)KCC2活性降低时持续下降，但频率增加(左侧面板)，时间常数(中间面板)或电导(右侧面板)突触的输入不一定会增加电流振幅。对于左侧面板当输入频率和KCC2水平变化时，时间常数保持在10ms；虚线表示最佳频率，重新绘制D类。对于中间面板当时间常数和KCC2水平变化时，输入频率保持在30Hz。对于右侧面板当电导和KCC2水平变化时，输入频率和时间常数分别保持在30Hz和10ms。这些模拟包括背景突触活动(（f） inh公司 =  0.4赫兹，（f） 交易所 =  0.1赫兹）。测试突触位于距躯体50µm处。C类。我们进行了与中类似的模拟B类但增加了分布式兴奋性输入，以根据放电率降低而不是总电荷来评估抑制(左侧面板). 倒钟形曲线的图案与B类从而证实了在整个细胞水平上抑制的净变化。上的图表正确的说明了使用包括Ca在内的模型进行模拟所获得的结果2+-激活的K+通道或持续Na+频道。我们还将树枝状HH通道集中在分支点，同时保持这些通道的总电导。结果在质量上与左边.D。最佳输入频率取决于KCC2水平和时间常数(左侧面板)以及相应的电流(右侧面板). 黑色曲线对应于左面板上的虚线B类注意，这是激活单个“测试”突触的最佳频率；最佳输入频率必然会随着激活突触数量的增加而减少，尽管确切的关系取决于这些激活突触的空间分布（参见A类)以及背景突触活动的水平。
图9
图9。HCO稳健性之间的权衡三 −和Cl−平衡。
答：。GABA引起的突触电流随时间的变化A类R突触保持打开状态。标准模型中的注意事项(黑色)电流最终倒转；相反，在没有HCO的模型中，电流衰减到零，但没有反转三 −流出，流出(红色).B。标准模型和相同试验条件下的反转电位随时间的变化A类虽然与中的变化相比较小E类 氯,E类 HCO3（高氯酸盐）确实发生了变化（方向相反）。这些变化的平衡决定了E类 GABA公司，解释了中测试的预测的功能含义C类和D类–减少了E类 HCO3（高氯酸盐）应该在以下方面产生更大的变化E类 氯，而E类 氯应该在以下方面产生更大的变化E类 HCO3（高氯酸盐）.C、。鼓励HCO三 −通过GABA流出A类R通过持有[HCO三 −]常数(绿色)加剧了去极化转变E类 氯.阻碍HCO三 −通过减少H流出+挤压到正常（黑色）的33%，这反过来阻碍了碳酸酐酶催化的正向反应，并加速细胞内HCO的消耗三 −，缓解了E类 氯.D。相反，鼓励Cl−通过GABA流入A类R通过持有[Cl−]常数(黑色)加剧了超极化偏移E类 HCO3（高氯酸盐）.令人沮丧的Cl−通过将KCC2活性降低至正常（绿色）的10%来缓解超极化偏移E类 HCO3（高氯酸盐）。中的效果C类比那些D类这说明了互译是如何不对称的，即pH调节对[Cl的影响更大−]动力学比Cl−在这里模拟的条件下，调节对pH动力学有影响。E。模拟与C类和D类已执行，但添加了Cl−/HCO公司三 −交换器处于不同的活动水平。F、。我们进行了一个模拟，其中我们添加了一个人工H+注入5s（水平杆）。质子流入导致[HCO显著下降三 −]我从而产生超极化偏移E类 HCO3（高氯酸盐）; 在没有Cl的模型中，这种变化更大−/HCO公司三 −交换器（未显示）。HCO的变化三 −导致氯离子倒置的梯度−/HCO公司三 −导致E类 氯; 这并不是在没有Cl的情况下发生的−/HCO公司三 −交换器。
图10
图10。[Cl之间的相互作用−]法规和[K+]监管。
答：。KCC2水平的变化导致E类 氯(右侧面板)但对E类 K（K）(左侧面板). 背景突触活动是（f） 交易所 =  0.2赫兹和（f） inh公司 =  0.8赫兹。B。钾的细胞内外浓度+对于中报告的相同模拟A类.尽管细胞外K+水平较低，[K+]o个由于其他机制，保持相对稳定，例如细胞外扩散。这解释了为什么E类 K（K）在中保持相对恒定A类.C、。最大值[K+]o个通过对树枝晶施加500 nS GABA电导达到。在100和200 ms时测试FH空间的扩散时间常数（对应于正常和50%较慢的细胞外K+间隙）以及可变细胞外间隙。D类.E类 氯作为不同固定水平[K的抑制输入的平均频率的函数+]o个.
图11
图11。膜电位对细胞内Cl的影响−积累。
答：。改变兴奋性突触驱动的速率(（f） 交易所)导致去极化偏移E类 氯仅次于平均膜电位的变化。（f） inh公司固定在0.4 Hz。B。峰值加剧细胞内Cl−通过将模型收敛到不同的稳态[Cl来说明累积−]我取决于模型是否包含HH通道(即分别进行或不进行峰值调整）。在此模拟中，KCC2活性较低（10%），（f） inh公司 =  0.8赫兹，以及（f） 交易所 =  0.4赫兹。C、。显示[Cl之间相互关系的样本痕迹−]我和扣球。当向胞体施加恒定的兴奋性电流时，神经元开始尖峰，但[Cl没有任何伴随的变化−]我因为还没有GABAA类R介导电导。打开恒定GABAA类体细胞中的R电导终止了峰值，但以牺牲细胞内Cl为代价−积累。在接下来的几秒钟里，氯化物慢慢积累，直到膜电位达到峰值阈值，此时峰值恢复，氯离子−开始了第二阶段的加速积累。D。测试Cl−真实神经元中的兴奋性突触输入加剧了累积−使用FLIM测量红藻氨酸激活或不激活谷氨酸受体的神经元中的浓度。根据模拟预测，Cl−在暴露于红藻氨酸的神经元中积累更大。在这些实验中，速尿用于阻断KCC2活性（**，p<0.001；***，p<00001）。数据来自5张盖玻片中的56个单元格。E。静态输入输出曲线的比较(黑色)与动态(红色)E类 氯曲线之间的差异清楚地表明E类 氯在考虑一系列输入条件时，不能近似为常量。
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    1. Staley KJ、Soldo BL、Proctor WR。抑制性GABAA受体神经元兴奋的离子机制。科学。1995;269:977–981.-公共医学
    1. Kaila K，Voipio J.GABA激活的碳酸氢盐电导引起的细胞内pH值突触后下降。自然。1987;330:163–165.-公共医学
    1. Staley KJ，普氏WR。通过Cl−和HCO3−转运动力学调节哺乳动物树突状GABAA受体功能。生理学杂志。1999;519:693–712.-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Prescott SA、Sejnowski TJ、De Konink Y.阴离子逆转电位的降低颠覆了对脊髓第一层神经元放电速率的抑制控制：走向神经性疼痛的生物物理基础。磨牙疼痛。2006;2:32.-项目管理咨询公司-公共医学

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