Ryanodine receptor activation induces long-term plasticity of spine calcium dynamics

Abstract

Dendritic spines are membraneous protrusions that receive the majority of excitatory synaptic input [1, 2]. They are also exposed to action potentials propagating back into the dendritic tree which transmit information about the neuronal output [3, 4]. The change of membrane voltage induced by backpropagating action potentials (bAPs) causes the opening of voltage-gated calcium channels (VGCCs) in dendrites and spines [3-5]. Here, we show that bAP-mediated calcium transients can serve as memory for suprathreshold neuronal acitvity in individual spines. However, opening of VGCCs alone was not sufficient for the activity-dependent enhancement of bAP-calcium transients we observed. Combining electrophysiology, two-photon calcium imaging and pharmacology, we show that antidromic propagation of action potentials also causes activation of ryanodine receptor (RyR)-induced calcium release. The RyR is a large intracellular ion channel complex located on the endoplasmic reticulum [6,7]. Channel opening and subsequent release of calcium from the intracellular stores is activated by increased intracellular calcium concentrations and is termed calcium-induced calcium release [8-11]. Increasing the intracellular calcium buffering capacity or blocking of RyR- induced calcium release from intracellular stores prevented activity-dependent plasticity of the calcium transient. Pharmacological experiments and modelling further indicated that activation of the RyR causes a rise of the intracellular calcium concentration in a specific nanodomain around the receptor. In this nanodomain, calcium reaches a concentration larger than the average calcium concentration in the spine mediated by VGCCs. This compartmentalized increase of calcium suggests the existence of a macromolecular signalling complex consisting of the RyR and the effectors of its downstream cascade. We further found that once the enhancement of bAP- calcium transients is induced by RyR activation, calcium release from intracellular stores does not play a significant role in the expression of bAP-calcium transient enhancement: Pharmacological interference with store calcium release after induction had no effect on the enhanced bAP-calcium transients. The RyR activation is thus important for induction, but not expression, of the enhancement of bAP-calcium transients. The activation of RyR-induced calcium release and the consecutive enhancement of bAP-calcium transients appeared to be spine-specific and independent of transients in the adjacent dendritic segment. Additionally, RyR-induced calcium release in neighboring spines was activated independently of one other. Calcium release from intracellular stores thus has a possible role in neuronal signal processing. With the formation of a calcium nanodomain around the RyR, intracellular stores are involved in the initiation of a plastic process that is involved in the spine-specific storage of information about the global neuronal activity level.

Die meisten erregenden Synapsen befinden sich auf den sogenannten Dornfortsätzen, kleinen Vorstülpungen der neuronalen Membran [1, 2]. Neben den synaptischen Eingängen erhalten diese Dornfortsätze auch Informationen über überschwellige neuronale Aktivität am Zellkörper. Die Grundlage hierfür sind rückläufige Aktionspotentiale, die Spannungsänderungen im Dendritenbaum verursachen [3, 4]. So werden spannungsgesteuerte Kalziumkanäle in den Dendriten und Dornfortsätzen geöffnet [3-5]. Mit der vorliegenden Untersuchung zeigen wir, dass diese Kalziumantworten in den Dornfortsätzen als Informationsspeicher dienen können. Allerdings konnten wir auch beobachteten, dass nur das Öffnen von spannungsgesteuerten Kalziumkanälen für die Informationsspeicherung in Form einer aktivitätsabhängigen Vergrößerung der Kalziumantwort in den Dornfortsätzen nicht ausreicht. Elektrophysiologische Messungen, Zwei-Photonen-Kalzium-Mikroskopie und pharmakologische Experimente haben ergeben, dass zusätzlich Kalzium aus den intrazellulären Speichern freigesetzt wird, wenn ein antidromes Aktionspotential den Dornfortsatz erreicht. Hierfür ist eine Aktivierung des Ryanodinrezeptors notwendig. Der Ryanodinrezeptor ist ein intrazellulärer Ionenkanalkomplex, der sich auf dem Endoplasmatischen Retikulum befindet [6, 7]. Er wird durch eine erhöhte intrazelluläre Kalziumkonzentration aktiviert und sorgt für die Freisetzung von Kalziumionen aus den intrazellulären Speichern [8-11]. Eine erhöhte intrazelluläre Pufferkapazität für Kalzium oder das Blockieren der Ryanodinrezeptor-bedingten Kalziumfreisetzung verhindert die aktivitätsabhängige Plastiziät der Kalziumantwort. Desweiteren konnten wir mit pharmakologischen Experimenten und Modellierung zeigen, dass die Aktivierung des Ryanodinrezeptors einen gezielten Anstieg der Kalziumkonzentration in einer Nanodomäne rund um den Rezeptor verursacht. Die Kalziumkonzentration in dieser Nanodomäne ist höher als die durchschnittliche Konzentration, die in den Dornfortsätzen durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle erreicht wird. Dieser räumlich begrenzte Anstieg der Kalziumkonzentration weist auf einen makromolekularen Signalübertragungskomplex bestehend aus dem Ryanodinrezeptor und Molekülen für die nachgeschaltete Signalkaskade hin. Wurde die Vergrößerung der Kalziumantwort erst einmal hervorgerufen, spielt die Kalziumfreisetzung aus intrazellulären Speichern allerdings keine signifikante Rolle mehr. Dies konnten wir zeigen, indem wir die Kalziumfreisetzung aus intrazellulären Speichern pharmakologisch gehemmt haben, nachdem die Vergrößerung der Kalziumantwort schon initiiert wurde. Die Aktivierung des Ryanodinrezeptors ist folglich wichtig für die Initiierung, nicht aber für das Instandhalten der Vergrößerung der Kalziumantwort. Die Aktivierung der Ryanodinrezeptor-bedingten Kalziumfreisetzung und die darauffolgende Vergrößerung der Kalziumantwort findet ausschließlich in den Dornfortsätzen statt und wird nicht durch die Kalziumantwort im benachbarten dendritischen Segment beeinflusst. Desweiteren scheint der Prozess unabhängig von der Aktivierung der Ryanodinrezeptor-bedingten Kalziumfreisetzung in benachbarten Dornfortsätzen zu sein. Die Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern hat folglich eine Rolle bei der neuronalen Signalverarbeitung. Mit der Etablierung einer Kalziumnanodomäne rund um den Ryanodinrezeptor sind intrazelluläre Speicher an der Initiierung eines plastischen Prozesses beteiligt, der zur Speicherung von Informationen über das Aktivitätsniveau des Neurons beiträgt.