The two-neuron microcircuit: an in vitro model for studying synapse formation and function

Abstract

Neural circuits are composed of mainly glutamatergic and GABAergic neurons, which operate excitation and inhibition signals in the central nervous system. Precise balance between excitation and inhibition through synapse connections is crucial for normal brain function. Development of synaptic connectivity is governed by both activity-independent and activity dependent mechanisms. It has been found that neuronal activity modulates GABAergic synapse formation and function using slice or mass cultures. However, it is difficult to dissect the contribution of intrinsic programs from extrinsic environmental effects in an intact network to this process. Here, we perform electrophysiological, pharmacological and morphological techniques from two-neuron microculture preparations of mouse hippocampal glutamatergic and GABAergic neurons to investigate the input and output of cells in a developing circuit. In our reduced preparation where extrinsic effects are minimal, we find that glutamatergic neurons show no change in output or input regardless of partner neuron cell type or neuronal activity level. In contrast, we find that glutamatergic input causes the GABAergic neuron to modify its output, by way of an increase in synapse formation and a decrease in synaptic release efficiency. These findings are consistent with GABAergic synapse maturation observed in many brain regions. Additionally, changes in GABAergic output are cell wide and not target cell specific. We also find that glutamatergic neuronal activity determined the AMPA receptor properties of synapses on the partner GABAergic neuron. All modifications of GABAergic input and output required activity of the glutamatergic neuron. As our system has reduced extrinsic factors, the changes we see in the GABAergic neuron due to glutamatergic input may reflect initiation of maturation programs that underlie the formation and function of in vivo neural circuits.

Neuronale Netzwerke bestehen größtenteils aus glutamatergen und GABAergen Neuronen, die für exzitatorische und inhibitorische Signale im zentralen Nervensystem verantwortlich sind. Das präzise Wechselspiel zwischen Anregung und Inhibierung durch synaptische Verbindungen ist essentiell für ein normal funktionierendes Gehirn. Die Entwicklung dieser synaptischen Verbindungen wird sowohl von aktivitätsabhängigen wie –unabhängigen Mechanismen kontrolliert. Experimente in Schnitten und Massenkultur konnten zeigen, dass neuronale Aktivität die Bildung und Funktion von GABAergen Synapsen beeinflusst. Allerdings ist es schwierig in solch komplexen Netzwerken den Einfluss intrinsischer Programme von extrinsischen Effekten der Umgebung zu unterscheiden. Um den Input und Output von Zellen in einem sich entwickelnden Netzwerk zu untersuchen, verwenden wir elektrophysiologische, pharmakologische und morphologische Methoden in einer Zwei-Neuronen-Mikrokultur aus glutamatergen und GABAergen Neuronen aus dem Hippocampus von Mäusen. In diesem reduzierten System, bei dem extrinsische Effekte minimiert sind, beobachten wir, dass glutamaterge Neuronen keine Veränderung in ihrem Input und Output zeigen, unabhängig von ihrem „Partnerneuron“ oder dem neuronalen Aktivtätslevel. Im Gegensatz dazu zeigen GABAerge Neuronen, die einen glutamatergen Input erhalten, einen veränderten Output: Die Synapsenbildung ist erhöht und die synaptische Freisetzungseffizienz ist reduziert. Gleiches fand man auch bei der Reifung von GABAergen Synapsen in vielen Gehirnregionen. Die Veränderungen im GABAergen Output sind außerdem unabhängig von der Zielzelle und betreffen alle Synapsen. Wir zeigen, dass die glutamaterge synaptische Aktivität die AMPA-Rezeptor-Eigenschaften des GABAergen Partnerneurons bestimmt. Alle Veränderungen am GABAergen Input und Output setzen Aktivität des glutamatergen Neurons voraus. Da in unserem System die extrinsischen Einflüsse reduziert sind, könnten die Veränderungen, die wir in GABAergen Neuronen beobachten, wenn sie glutamatergen Input erhalten, ein Reifungsprogramm widerspiegeln, das der Bildung und Funktion von Netzwerken in vivo zu Grunde liegt.