A major topic in neuroscience is the cellular basis of learning and memory. Memories are stored in neuronal engrams, co-active neurons that are synaptically connected. Synaptic plasticity, due to its ability to alter synaptic weight within a neuronal network, has been hypothesised to play a role in information storage. Despite decades of research, little is known about presynaptic plasticity, a form of plasticity defined as activity-dependent modulation of neurotransmitter release. Remarkably, the specific contribution of presynaptic plasticity to behaviour is unknown, which is in part due to a lack of methods that allow its specific in vivo manipulation. In order to overcome these limitations, we have engineered and characterised synaptoPAC, a novel optogenetic tool that allows induction of presynaptic plasticity. SynaptoPAC is designed as the fusion of the photoactivated adenylyl cyclase bPAC to the presynaptic vesicle protein synaptophysin. The design allows an increase of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) in presynaptic terminals using light. Elevated presynaptic cAMP was previously demonstrated to cause an increase in release probability and induce presynaptic potentiation at specific synapses. With immunofluorescence imaging of cultured neurons we demonstrated that synaptoPAC is enriched at presynaptic terminals, as indicated by its co-localization with the synaptic vesicle protein VGLUT1. We verified the light-driven increase of cAMP by synaptoPAC by performing electrophysiological whole-cell recordings of ND7/23 cells co-expressing synaptoPAC and the cAMP-gated channel SthK. In whole-cell recordings of autaptic hippocampal cultures expressing synaptoPAC, we observed an increase of neurotransmitter release during light stimulation as well as concomitant changes in short-term plasticity properties in granule cells, but not in other cell types. In vivo expression of synaptoPAC in the dentate gyrus of the hippocampus and subsequent field excitatory postsynaptic potential (fEPSP) recordings in acute brain slices enabled us to demonstrate optically induced long-term plasticity in mossy fibre-CA3 synapses. Interestingly, activation of the tool did not cause increase in the amplitude of Schaffer collateral-CA1 synapse fEPSPs in in vitro recordings, indicating that synaptoPAC can induce potentiation only in synapses that are already predisposed to presynaptic plasticity. Further investigations in hippocampal slice preparations of short-term plasticity in mossy fibre synapses confirmed the presynaptic nature of the optical potentiation. Our results establish synaptoPAC as a valid tool that can be used to answer questions regarding the role of presynaptic plasticity in the brain and increase understanding of diseases characterised by impairments of this kind of plasticity.
Ein wichtiges Thema der Neurowissenschaften ist die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Gedächtnisspuren werden in neuronalen Engrammen gespeichert, dies sind koaktive Neurone, welche synaptisch miteinander verbunden sind. Es wird angenommen, dass synaptische Plastizität aufgrund ihrer Eigenschaft, synaptische Gewichtungen innerhalb eines neuronalen Netzwerks zu verändern, eine Rolle bei der Informationsspeicherung spielt. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist wenig über präsynaptische Plastizität bekannt, eine Form von Plastizität, die als aktivitätsabhängige Modulation der Neurotransmitterfreisetzung definiert wird. Bemerkenswerter Weise ist kein spezifischer Beitrag der präsynaptischen Plastizität zu Verhalten bekannt, hauptsächlich auf Grund eines Mangels an Methoden, die ihre spezifische Manipulation in vivo erlauben. Um diese Limitierungen zu überwinden, entwickelten und charakterisierten wir synaptoPAC, ein neues optogenetisches Werkzeug, das eine lichtvermittelte Induktion präsynaptischer Plastizität ermöglicht. SynaptoPAC wurde als Fusion der photoaktivierten Adenylylzyklase bPAC mit dem präsynaptischen Vesikelprotein Synaptophysin konzipiert. Dieses Design ermöglicht eine Erhöhung von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP) in präsynaptischen Terminalen mittels Licht. Es wurde bereits gezeigt, dass erhöhtes präsynaptisches cAMP an bestimmten Synapsen eine Zunahme der Freisetzungswahrscheinlichkeit bewirkt und eine präsynaptische Potenzierung induziert. Mittels immunfluoreszenzmikroskopischer Bildgebung von kultivierten Neuronen zeigten wir eine Anreicherung von synaptoPAC in präsynaptischen Terminalen, was durch eine Ko- Lokalisation mit dem synaptischen Vesikelprotein VGLUT1 indiziert wurde. Wir verifizierten die lichtgesteuerte Erhöhung von cAMP durch synaptoPAC mittels elektrophysiologischer Ganzzellableitungen an ND7/23 Zellen, welche synatoPAC und den cAMP-gesteuerten SthK Kanal koexprimierten. Bei Ganzzellableitungen von synaptoPAC exprimierenden, autaptischen Kulturen hippokampaler Neurone beobachteten wir eine Zunahme der Transmitterfreisetzung während einer Stimulation mit Licht spezifisch in Körnerzellen, aber nicht in anderen Zelltypen, und eine damit einhergehende Veränderungen der Kurzzeitplastizität. In vivo Expression von synaptoPAC im Gyrus Dentatus und anschließende Feldpotenzialmessungen von exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen in akuten Hirnschnitten ermöglichte uns, eine optisch induzierte Langzeitpotenizierung an Moosfaser-CA3 Synapsen zu demonstrieren. Interessanterweise bewirkte die Aktivierung dieses Werkzeugs keine Verstärkung der Transmitterfreisetzung in Schaffer Kollateral-CA1 Synapsen in in-vitro Messungen, was darauf hindeutet, dass synaptoPAC nur in Synapsen, die bereits für präsynaptische Plastizität prädisponiert sind, eine Potenzierung induzieren kann. Weitere Untersuchungen an hippocampalen Schnittpräparationen zur Veränderung der Kurzzeitplastizität durch synaptoPAC in Moosfasern bestätigten den präsynaptischen Charakter der optischen Potenzierung. Unsere Ergebnisse etablieren synaptoPAC als valides Werkzeug, das zur Beantwortung offener Forschungsfragen zur Rolle der präsynaptischen Plastizität im Gehirn eingesetzt werden kann, und unser Verständnis von Krankheiten verbessern könnte, welche durch eine Beeinträchtigungen dieser Art von neuronaler Plastizität gekennzeichnet sind.
