Characterization of the cholinergic system and its role in spontaneous neural activity in the spinal cord of zebrafish embryo
Caractérisation du système cholinergique et de son effet sur l'activité neuronale spontanée dans la moelle épinière embryonnaire
Résumé
Cholinergic signaling plays a critical role in numerous biological processes throughout development. In rodents and chick, cholinergic signaling is involved in the initiation and maintenance of spontaneous neural activity, which refers to the coordinated activation of large groups of neurons without external input. Spontaneous neural activity is observed in many areas in the vertebrate nervous system, including the spinal cord. Multiple studies have demonstrated that the disruption of cholinergic signaling during development leads to neural tube defects, developmental delays, cognitive deficits, and behavioral abnormalities. Maternal exposure to smoking causes nicotine to enter the fetal circulation and interact with nicotinic acetylcholine receptors, which leads to disturbances in cholinergic signaling to impact the development and function of the nervous system. While studies have shown the adverse effects of nicotine in the peripheral nervous system and in muscles, how it and other disruptors of cholinergic signaling affect the spinal central nervous system development is less understood. We characterized the spatio-temporal regulation of the cholinergic system in early zebrafish spinal cord using in situ hybridization and immunohistochemistry. We found that genes that encode pre- and post-synaptic elements are expressed as early as 20 hours post fertilization. Surprisingly, the expression of presynaptic components decreases after 3 days suggesting that cholinergic signaling plays an important role during early embryonic development. By carrying out calcium imaging on large groups of neurons in the 1 day old embryonic spinal cord, we discovered that neurons display different patterns of synchronized activity, consisting of high or low frequency activity. We utilized a transgenic line to label motoneurons and found that groups of neurons displaying high or low frequency activity contain both moto- and interneurons. In addition, we found that neurons that display low frequency activity contain earlier born primary motoneurons, whereas 7 those with high frequency activity contain later born secondary motoneurons. These results suggest that neurons that are born together form microcircuits that first exhibit high frequency activity, which then transitions to low frequency activity. To investigate the role of cholinergic signaling during spontaneous neural activity, we performed calcium imaging in the mutant for cholineacetyltransferse a (chata), which encodes an enzyme for acetylcholine synthesis. We found that the emergence of correlated activity is altered in mutants. The highly rhythmic events observed in WT siblings are not found in the chata mutants as they display higher interval variability between calcium transients. Application of nicotine increased neural activity, suggesting a role of nicotinic acetylcholine receptors in regulating high frequency activity. The results attribute a yet undescribed role for cholinergic signaling through the nicotinic acetylcholine receptors in modulating highly rhythmic activity during early spontaneous activity. Taken together, we show that both genetic and environmental factors that modify cholinergic signaling alter early spontaneous neural activity, suggesting that the cholinergic system plays a critical role in the recruitment of neural circuits in the developing zebrafish spinal cord. This work establishes the zebrafish embryo as a model system to study the relationship between cholinergic signaling-mediated neural activity and the cellular processes underlying the establishment of neural circuits and its long-term implications in behavior.
La signalisation cholinergique joue un rôle essentiel dans de nombreux processus biologiques tout au long du développement. Chez les rongeurs et les poussins, la signalisation cholinergique est impliquée dans le déclenchement et le maintien de l'activité neuronale spontanée, c'est-à-dire l'activation coordonnée de grands groupes de neurones sans apport extérieur. L'activité neuronale spontanée est observée dans de nombreuses zones du système nerveux des vertébrés, y compris la moelle épinière. De nombreuses études ont démontré que la perturbation de la signalisation cholinergique au cours du développement entraîne des anomalies du tube neural, des retards de développement, des déficits cognitifs et des anomalies comportementales. L'exposition maternelle au tabagisme entraîne la pénétration de la nicotine dans la circulation fœtale. Alors que des études ont montré les effets néfastes de la nicotine sur le système nerveux, la façon dont elle affecte le développement du système nerveux central de la colonne vertébrale est moins bien comprise. Nous avons caractérisé l'expression du système cholinergique dans la moelle épinière du poisson zèbre en utilisant l'hybridation in situ et l'immunohistochimie. Nous avons constaté que les gènes qui codent pour le système cholinergique sont exprimés dès 20 heures après la fécondation, ce qui suggère que la signalisation cholinergique joue un rôle important au cours du développement embryonnaire précoce. En réalisant une imagerie calcique sur de grands groupes de neurones dans la moelle épinière embryonnaire âgée d'un jour, nous avons découvert que les neurones présentent différents modèles d'activité synchronisée, consistant en une activité de haute ou de basse fréquence. Nous avons utilisé une lignée transgénique pour marquer les motoneurones et nous avons constaté que les groupes de neurones présentant une activité à haute ou basse fréquence contiennent à la fois des motoneurones et des interneurones. En outre, nous avons constaté que les neurones qui présentent une activité à basse fréquence contiennent des motoneurones primaires nés plus tôt, tandis que les neurones qui présentent une activité à haute fréquence contiennent des motoneurones internes. ceux qui présentent une activité à haute fréquence contiennent des motoneurones secondaires nés plus tard. Ces résultats suggèrent que les neurones nés ensemble forment des microcircuits qui présentent d'abord une activité à haute fréquence, qui passe ensuite à une activité à basse fréquence. Pour étudier le rôle de la signalisation cholinergique au cours de l'activité neuronale spontanée, nous avons réalisé une imagerie calcique chez le mutant pour la cholineacetyltransferse a, qui code pour une enzyme de synthèse de l'acétylcholine. Nous avons constaté que l'émergence d'une activité corrélée est altérée chez les mutants. Les événements hautement rythmiques observés chez les WT ne se retrouvent pas chez les mutants, qui présentent une plus grande variabilité des intervalles entre les transitoires calciques. L'application de nicotine a augmenté l'activité neuronale, suggérant un rôle des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine dans la régulation de l'activité à haute fréquence. Les résultats attribuent un rôle encore non décrit à la signalisation cholinergique via les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine dans la modulation de l'activité hautement rythmique au cours de l'activité spontanée précoce. Dans l'ensemble, nous montrons que les facteurs génétiques et environnementaux qui modifient la signalisation cholinergique altèrent l'activité neuronale spontanée précoce, ce qui suggère que le système cholinergique joue un rôle essentiel dans le recrutement des circuits neuronaux dans la moelle épinière du poisson-zèbre en développement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)