Modulación sináptica del umbral de reclutamiento y de la frecuencia de potenciales de acción en las motoneuronas oculares

Abstract

Las neuronas reciben e integran las señales sinápticas, éstas pueden generar potenciales de acción como mecanismo para transmitir información. La función neuronal de entrada-salida se puede ajustar modificando el umbral de reclutamiento y la ganancia de la relación. Los estudios realizados en preparaciones de animal alerta han demostrado que las motoneuronas de los músculos extraoculares presentan una frecuencia de potenciales de acción fásico-tónica. Esta frecuencia está linealmente relacionada con la velocidad y la posición ocular. Las pendientes de estas relaciones son más altas en las motoneuronas de mayor umbral de reclutamiento y se ha propuesto que esta relación depende de las entradas sinápticas. Por otro lado, estas motoneuronas reciben abundantes entrada sinápticas, mediadas por los neurotransmisores glutamato y ácido γ-amino butírico (GABA), desde diferentes núcleos premotores. Este trabajo ha investigado la modulación del umbral de reclutamiento y la ganancia (pendiente de la relación entre intensidad de corriente inyectada y frecuencia de potenciales de acción oculares producida) dependiente de glutamato y GABA en las motoneuronas del núcleo motor ocular común de la rata, y si tales procesos de modulación podrían depender del tamaño de las motoneuronas. En un primer grupo experimental, las motoneuronas se registraron, en preparaciones in vitro de rodaja, en condiciones control y durante la exposición a glutamato (5 μM). Los resultados obtenidos mostraron que el glutamato no afectó el potencial de membrana ni la resistencia de entrada, pero produjo una disminución en la reobase y en el voltaje de despolarización. Estos cambios aumentaron con la corriente umbral de reclutamiento de las motoneuronas y dependieron de una disminución en el voltaje umbral para producir un potencial de acción. Además, el glutamato comprimió el rango de corriente de umbral de reclutamiento en las motoneuronas en comparación con la población control. En presencia de glutamato, las motoneuronas mostraron un incremento en la ganancia de la frecuencia tónica y en la frecuencia fásica de potenciales de acción. El incremento en la ganancia también se relacionó con el umbral de reclutamiento. En conclusión, el glutamato modula la frecuencia tónica y fásica de potenciales de acción de las motoneuronas mediante una disminución en el voltaje umbral de reclutamiento del potencial de acción y un aumento en la ganancia de la relación entrada-salida. Estos cambios incrementaron con el umbral de reclutamiento y con el tamaño de las motoneuronas. Un segundo grupo experimental estudió cómo modula la concentración extracelular alta y baja de GABA la relación entrada-salida en las motoneuronas de los músculos extraoculares. Se ha descrito que a concentraciones altas de GABA se produce la activación de los receptores GABAA que median la transmisión sináptica inhibidora (denominada corriente fásica), mientras que a concentraciones bajas se activan receptores GABAA extrasinápticos que podrían modular la excitabilidad celular (denominada corriente tónica). La adición a la cámara de registro de GABA (100 µM) produjo una corriente mediada por los receptores GABAA (~129 pA). Esta corriente disminuyó la resistencia de entrada, aumentó el umbral de reclutamiento y desplazó la relación intensidad de corriente inyectada-frecuencia de potenciales de acción generada hacia la derecha sin cambio en la ganancia. Estas modificaciones no dependieron del tamaño de la motoneurona y fueron principalmente debidas a la activación de los receptores GABAA de baja afinidad, es decir aquellos implicados en la transmisión sináptica rápida. A baja concentración de GABA (en ausencia de GABA exógeno añadido a la cámara de registro) y en presencia de gabazina 20 μM (un antagonista de los receptores GABAA) se suprimieron las corrientes postsinápticas inhibitorias espontáneas y se observó una corriente tónica (~9 pA) en las motoneuronas. La exposición a gabazina aumentó la resistencia de entrada en función del tamaño de las motoneuronas. Como consecuencia del cambio en resistencia, disminuyó el umbral de reclutamiento de forma más pronunciada en los motoneuronas de mayor tamaño. También, la relación de intensidad de corriente inyectada-frecuencia de potenciales de acción generada se desplazó hacia la izquierda, sin cambio en la ganancia. Los efectos de la gabazina se atribuyeron, principalmente, a la corriente tónica porque su intensidad fue aproximadamente cinco veces mayor que la corriente fásica. La corriente tónica fue debida a los receptores GABAA de alta afinidad, que se localizan extrasinápticamente. Este estudio demuestra que la corriente inhibidora tónica en las motoneuronas de los músculos extraoculares modula el umbral de reclutamiento dependiendo del tamaño de la célula. Concluimos que el glutamato modula las propiedades activas de membrana (voltaje umbral y ganancia), mientras que los receptores GABAA que generan la corriente tónica modulan las propiedades pasivas de la membrana (resistencia de entrada). Los efectos de modulación por estos neurotransmisores aumentaron con el tamaño de las motoneuronas. Estos efectos, mediados por los receptores metabotrópicos de glutamato y por los receptores GABAA que median la corriente tónica, permitirían a las motoneuronas ser reclutadas e incrementar su ganancia en la frecuencia de potenciales de acción con menores entradas excitadoras. Proponemos que el glutamato y el GABA actúan de una manera orquestada para refinar la salida motora del sistema, permitiendo fijaciones oculares estables, en posiciones muy excéntricas de la órbita, y movimientos oculares de gran velocidad.

Neurons receive and integrate synaptic signals, which can generate action potentials as a mechanism to transmit information. The neuronal input-output function can be set by changes in the recruitment threshold and in the gain. Studies in alert preparations have demonstrated that extraocular muscle motoneurons exhibit a phasictonic firing rate related to eye velocity and position, respectively. The slopes of these relationships are higher in motoneurons with higher recruitment thresholds and it has been proposed that this relationship depends upon synaptic inputs. On the other hand, these motoneurons receive abundant synaptic inputs mediated by glutamate and γ- amino butyric acid (GABA) neurotransmitters from different premotor sources. The present work investigates the modulation of the recruitment threshold and gain by glutamate and GABA in the rat oculomotor nucleus motoneurons, and questions if such processes could depend on motoneuron size. In a first experimental group, motoneurons were recorded in a brain slice preparation in control conditions and during glutamate (5 µM) application to the bath. Glutamate did not affect membrane potential or input resistance, but produced a decrease in rheobase and depolarization voltage that was dependent on recruitment threshold current. These changes were produced by a diminution in voltage threshold to evoke an action potential. In addition, glutamate compressed the range of recruitment threshold current compared to control. Motoneurons exposed to glutamate also showed an increase in the tonic frequency gain and in the peak firing frequency; such increments depended on the recruitment threshold current. In conclusion, glutamate modulates tonic and phasic discharge properties by changes in active membrane properties (action potential threshold and gain). These changes co-varied with the recruitment threshold current and motoneuron size. A second experimental group was aimed at determining how high and low ambient GABA concentrations modulate the input-output relationship of extraocular muscle motoneurons. These two experimental conditions were carried out because phasic inhibition mediated by γ-amino butyric acid (GABA) occurs when a high concentration of GABA at the synaptic cleft activates postsynaptic GABAA receptors. This process allows neuronal information transfer. In addition, in some neuronal populations, low concentrations of GABA activate non-synaptic GABAA receptors and generate a tonic inhibition, which could modulate cell excitability. Superfusion of brain slices with GABA (100 µM) produced a sustained GABAA receptor-mediated current (~129 pA) that reduced the input resistance, increased the recruitment threshold and shifted the firing frequency-current relationship rightward without any change in gain. These GABA mediated modifications did not depend on motoneuron size and were mainly due to the activation of low-affinity GABAA receptors, i.e. those involved in the fast postsynaptic events. In absence of exogenous GABA, the application of 20 µM gabazine (an antagonist of GABAA receptors) abolished spontaneous inhibitory postsynaptic currents and revealed a tonic current (~9 pA) in motoneurons. Gabazine exposure increased the input resistance as a function of motoneuron size. As a consequence of shunting, the reduction in recruitment threshold was more pronounced in larger motoneurons. Also, the firing frequency-current relationship shifted to the left, without any change in gain. Gabazine effects were chiefly due to motoneuron tonic inhibition because tonic current amplitude was five-fold greater than phasic. Tonic current were due to high-affinity GABAA receptors, which are located extrasynaptically. This study demonstrates a tonic inhibition in extraocular muscle motoneurons that modulates recruitment threshold depending on cell size. We concluded that glutamate modulates active membrane properties (voltage threshold and gain), while tonic GABAA receptor-mediated current modulates passive membrane properties (input resistance). The effects of these neurotransmitters upon recruitment threshold and gain increased with motoneuron size. These effects mediated by metabotropic glutamate receptors and GABAA receptor mediated tonic current would allow motoneurons to be recruited and for there to be an increased firing rate gain with reduced excitatory inputs. We propose that glutamate and GABA act in an orchestrated manner to refine the motor output, allowing fixations of eye in eccentric positions in the orbit and accurate saccadic eye movement with high velocity.