High frequency antidromic stimulation is insufficient for priming behavioral time scale synaptic plasticity in CA1 pyramidal neurons

Hippocampal place fields play a key role in spatial navigation. New place fields are formed during exploratory behavior through long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of synaptic inputs to place cells located in hippocampal CA1. Recently, a novel form synaptic plasticity termed behavioral time scale plasticity (BTSP) has been demonstrated to occur in CA3–CA1 synapses in vitro. BTSP can potentiate synapses that were active several hundred milliseconds before or after a priming event such as a strong and prolonged somatic depolarization. This plasticity rule could be an important complement to well-established spike timing dependent plasticity (STDP) which associates neuronal inputs with outputs at a time scale less than a few tens of milliseconds. The aim of this thesis was to determine whether high frequency antidromic stimulation can act as a priming event that enables BTSP induction in CA1 pyramidal neurons. The underlying assumption was that antidromic stimulation could prime BTSP via action potential backpropagation. High frequency bursting of CA1 neurons in hippocampal slices was achieved with 100 Hz antidromic stimulation of CA1 axons in the alveus. Schaffer collaterals were stimulated 500 ms before or after CA1 burst firing with intensities that were subthreshold for LTP when unpaired. I found that high frequency firing did not enable LTP induction during either of the two experimental protocols, suggesting that neuronal output alone is insufficient for priming BTSP.

Hippokampuksen paikkakentillä on keskeinen rooli spatiaalisessa navigaatiossa. Uusia paikkakenttiä muodostuu hippokampuksen CA1:ssa sijaitsevien paikkasolujen synapseissa pitkäkestoisen potentiaation (LTP) ja pitkäkestoisen depression (LTD) kautta. Äskettäin on osoitettu aiemmin tuntemattoman nk. käyttäytymisaikaskaalan synaptisen plastisuuden (BTSP) esiintyminen CA3–CA1 synapseissa in vitro. BTSP kykenee potentioimaan synapseja, jotka ovat olleet aktiivisia satoja millisekunteja ennen tai jälkeen viritystapahtuman, kuten esim. voimakkaan ja pitkittyneen somaattisen depolarisaation. Kyseinen neuroplastisuuden muoto voi täydentää ennestään tunnettua hermopiikkien ajasta riippuvaa plastisuutta (STDP), joka assosioi tulevia ja lähteviä hermosignaaleja muutamien kymmenien millisekuntien aikaskaalalla. Tämän tutkielman tarkoituksena oli selvittää, voiko korkeataajuinen antidrominen stimulaatio toimia viritystapahtumana, joka mahdollistaa BTSP:n indusoinnin CA1:n pyramidaalisissa hermosoluissa. Taustaoletuksena oli, että antidrominen stimulaatio muodostaa taaksepäin propagoivia aktiopotentiaaleja, jotka mahdollistavat BTSP:n indusoinnin dendriiteissä. CA1:n hermosolujen korkeataajuinen aktivointi toteutettiin niiden aksoneihin kohdistuvalla 100 Hz:n antidromisella stimulaatiolla. CA1:een saapuvia Schaffer collateral -hermoratoja stimuloitiin 500 ms ennen tai jälkeen antidromisen stimulaation voimakkuuksilla, jotka eivät olisi yksinään riittäneet LTP:n indusointiin. Korkeataajuinen antidrominen stimulaatio ei mahdollistanut LTP:n muodostumista kummassakaan kahdesta tutkimusprotokollasta, mikä viittaa siihen, että hermosolujen omat hermoimpulssit ovat riittämättömiä BTSP:n indusoinnin mahdollistamiseksi.