Estimating the parameters of a vesicular storage and release system in rat hippocampus

• Main Author: Bui, Loc
• Other Authors: Mladen I Glavinovic (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Biology - Physiology
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=103562

During high frequency stimulation, synaptic efficacy decreases due to the depletion of the readily releasable pool (RRP), and its replenishment is vital in maintaining synaptic transmission. According to the 'mobilization by liberation' model, stimulation and subsequent calcium accumulation frees vesicles from their cytoskeletal constraints, leading to the replenishment of the RRP. Additionally, okadaic acid (a phosphotase inhibitor) and staurosporine (a protein kinase inhibitor) have been shown to affect vesicular mobility. In this thesis, the 'mobilization by liberation' model is tested by evaluating how the dynamics of the vesicular system change with stimulation, calcium, temperature, and compounds which affect vesicular mobility. The parameters of a vesicular storage and release model were estimated using the excitatory post-synaptic currents recorded from rat hippocampal CA1 neurons. The fractional release increases with calcium, whereas the replenishment rate is calcium-independent. During long, high frequency stimulation, the fractional release remains constant and the replenishment rate decreases markedly and rapidly. Thus, stimulation induced changes of vesicular dynamics are not determined by calcium accumulation. Agents that affect vesicular mobility did not influence the replenishment rate, and these compounds were ineffective in influencing how the replenishment rate decreases with stimulation. Therefore, the replenishment of the RRP is unlikely to be associated with vesicular movement. The replenishment rate decreases during stimulation at low temperatures (< 22C), and it increases at high temperatures (> 28C). After prolonged stimulation, the replenishment rate recovers rapidly, to a steady-state level that is above its pre-stimulation estimate. The recovery of synaptic efficacy is thus an unreliable index of the replenishment rate. In conclusion, our results do not support the 'mobilization by liberation' model in excitatory synapses of the rat hippocampus, and future studies should clarify the underlying biophysical process of vesicular replenishment. === Lors de la stimulation à haute fréquence, l'efficacité synaptique diminue en raison de l'appauvrissement du 'readily releasable pool' (RRP), et le remplissage est essentiel au maintien de la transmission synaptique. Selon le modèle de la 'mobilization by liberation', la stimulation et l'accumulation subséquente de calcium libèrent les vésicules de leurs contraintes au cytosquelette, menant à un remplissage accéléré du RRP. La mobilité vésiculaire est également modulée par la phosphorylation, et l'acide okadaïque (un inhibiteur de phosphatase) mène à une augmentation du trafique vésiculaire. Inversement, la staurosporine (un inhibiteur de protéine kinase) limite le mouvement vésiculaire. Selon la tradition, le taux de remplissage est estimé à partir de l'efficacité synaptique suivant l'épuisement du RRP. Dans cette thèse, le modèle de la 'mobilization by liberation' est testé en évaluant comment les dynamiques vésiculaires changent avec la stimulation, la calcium, la température, et des composés qui affectent la mobilité vésiculaire. Les paramètres du système de stockage et de relâchement vésiculaire étaient estimés à partir des enregistrements des courants post-synaptiques excitateurs des neurones CA1 de l'hippocampe de rat. Le relâchement fractionnel augmente avec la calcium, alors que le taux de remplissage est calcium-indépendant. Pendant de longues stimulations à haute fréquence, le relâchement fractionnel demeure constant et le taux de remplissage diminue de façon marquée et rapide. Ainsi les changements dans la dynamique vésiculaires induits par la stimulation ne sont pas déterminés par l'accumulation de calcium. Les agents qui affectent la mobilité vésiculaire n'influencent pas le taux de remplissage, et ces composés n'ont pas d'effet sur la diminution du taux de remplissage lors de la stimulation. Ainsi, le remplissage du RRP n'est vraisemblablement pas associé au mouvement vésiculaire. Le taux de remplissage diminue durant la stimulation à faibles températures (&lt; 22C), et augmente à des températures plus élevées (&gt; 28C). Suite à une stimulation prolongée, le taux de remplissage reprend rapidement, à un niveau stable, qui est supérieur à l'estimé de pré-stimulation. La reprise de l'efficacité synaptique est ainsi un indice incertain du taux de remplissage. En conclusion, nos résultats éliminent le modèle de la 'mobilization by liberation', et des études futures devront clarifiées les processus biophysiques sous-jacents au remplissage vésiculaire.