Two glial cell types make structural and functional contact to the calyx of Held in the mouse medial nucleus of the trapezoid body

Abstract

The calyx of Held is a giant presynaptic terminal forming an axo-somatic contact to the principal neuron in the medial nucleus of the trapezoid body. In the last few years this preparation has been used to study mechanisms of synaptic transmission and plasticity since both, pre- and postsynaptic elements are accessible to physiological recording and manipulation. In the present study, the glial elements associated with the calyx synapse were studied by using acute slices of the brain stem of young (P8-P10) mice. Two morphologically distinct types of cells in close association with the calyx synapse were found, one characterized by passive membrane currents and expression of the astrocytic marker glial fibrillary acidic protein (GFAP, passive cells), the other by voltage gated currents and expression of the proteoglycan NG2 (complex cell). Upon electrical stimulation of the afferent fibres crossing the midline of the brainstem slice, postsynaptic responses could be elicited in the complex cell that were sensitive to CNQX, an antagonist of AMPA/kainate type glutamate receptors (AMPA/KAR). In contrast to this, passive cells did not show a postsynaptic current response to midline stimulation, but responded with an increase in [Ca2+]i that depended on AMPA/KAR. High frequency stimulation under glutamate transporter blockage elicited a slow inward current in passive cells, which was sensitive to CNQX, whereas no such current could be observed in complex cells. The cells were also studied on the ultrastructural level and synaptic-like structures between the calyx and complex cells could be found. In contrast to this no such structures could be identified between the calyx and passive cells. In addition double whole cell recordings of spontaneous activity from principal neurons of the MNTB and closely apposed complex cells were performed. It could be found that about a third of the glial events were synchronized with the neuron. By determining mEPSCs the quantal size of neuronal and glial responses could be estimated, namely 16 and 12 pA. Based on these data, it could be concluded that one complex glial cell integrates, in average, input from three calyces, but contacts much less release sites than the principal neuron.

Die Calyx of Held ist eine große präsynaptische Terminale, die einen axo- somatischen Kontakt zu einem einzelnen postsynaptischen Prinzipalneuron im medialen Nukleus des Trapezoidkörpers (MNTB) bildet. In den letzten Jahren wurde diese Präparation genutzt, um Mechanismen der synaptischen Transmission und Plastitzität zu studieren, da es in dieser Synapse möglich ist sowohl direkt von der Prä-, als auch von der Postsynapse elektrophysiologisch abzuleiten und beide Elemente zu beeinflussen. In der vorliegenden Studie wurden die glialen Elemente, welche mit der Calyx assoziiert sind, studiert, indem akute Schnitte aus dem Hirnstamm junger Mäuse (P8-P10) genutzt wurden. Dabei konnten zwei dicht mit der Calyx assoziierte, morphologisch unterschiedliche Zelltypen gefunden werden. Der eine wurde durch passive Membranströme charakterisiert, sowie durch Expression des astrozytären Markers gliales fibrilläres saures Protein (glial fibrillary acidic protein, GFAP, passive Zellen). Der andere Zelltyp wurde durch spannungsabhängige Ströme, sowie durch Expression des Proteoglykans NG2 charakterisiert (komplexe Zelle). Mit elektrischer Stimulation der afferenten Fasern, die die Mittellinie des Hirnstammschnittes durchziehen, konnten postsynaptische Antworten in den komplexen Zellen hervorgerufen werden, die sensitiv für CNQX, einem Antagonisten von Glutamat-Rezeptoren des AMPA/Kainat Typs (AMPA/KAR), waren. Im Gegensatz dazu zeigten passive Zellen keine postsynaptischen Stromantworten auf Stimulation der Mittellinie. Diese Zellen antworteten mit einer Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration, welche ebenfalls von AMPA/KAR abhing. Hochfrequente Stimulation unter Blockade der Glutamattransporter rief einen CNQX-sensitiven, langsamen Einwärtsstrom in den passiven Zellen hervor, der jedoch nicht in komplexen Zellen beobachtet werden konnte. Die beiden Zelltypen wurden auch auf dem ultrastrukturellen Level untersucht. Es konnten Synapsen-ähnliche Strukturen zwischen der Calyx und komplexen Zellen beobachtet werden. Diese Strukturen konnten jedoch nicht zwischen der Calyx und passiven Zellen identifiziert werden. Zusätzlich wurden Doppelableitungen spontaner Aktivität von Prinzipalneuronen des MNTB und dicht benachbarten komplexen Zellen durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass etwa ein Drittel der glialen Ereignisse mit denen des Neurons synchronisiert waren. Durch Bestimmung der mEPSCs konnte die quantale Größe der neuronalen und glialen Antworten bestimmt werden, nämlich 16 und 12 pA. Basierend auf diesen Daten konnte die Aussage getroffen werden, dass eine komplexe Zelle im Durchschnitt Eingänge von drei Calyces erhält, an jeder Calyx jedoch viel weniger Transmitterfreisetzungsorte kontaktiert als ein Prinzipalneuron.