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Mateus JC, Lopes C, Aroso M, Costa AR, Gerós A, Meneses J, Faria P, Neto E, Lamghari M, Sousa MM, Aguiar P. Bidirectional flow of action potentials in axons drives activity dynamics in neuronal cultures. J Neural Eng 2021; 18. [PMID: 34891149 DOI: 10.1088/1741-2552/ac41db] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.3] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/16/2021] [Accepted: 12/10/2021] [Indexed: 12/20/2022]
Abstract
Objective. Recent technological advances are revealing the complex physiology of the axon and challenging long-standing assumptions. Namely, while most action potential (AP) initiation occurs at the axon initial segment in central nervous system neurons, initiation in distal parts of the axon has been reported to occur in both physiological and pathological conditions. The functional role of these ectopic APs, if exists, is still not clear, nor its impact on network activity dynamics.Approach. Using an electrophysiology platform specifically designed for assessing axonal conduction we show here for the first time regular and effective bidirectional axonal conduction in hippocampal and dorsal root ganglia cultures. We investigate and characterize this bidirectional propagation both in physiological conditions and after distal axotomy.Main results.A significant fraction of APs are not coming from the canonical synapse-dendrite-soma signal flow, but instead from signals originating at the distal axon. Importantly, antidromic APs may carry information and can have a functional impact on the neuron, as they consistently depolarize the soma. Thus, plasticity or gene transduction mechanisms triggered by soma depolarization can also be affected by these antidromic APs. Conduction velocity is asymmetrical, with antidromic conduction being slower than orthodromic.Significance.Altogether these findings have important implications for the study of neuronal functionin vitro, reshaping our understanding on how information flows in neuronal cultures.
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Affiliation(s)
- J C Mateus
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,ICBAS-Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Cdf Lopes
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - M Aroso
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - A R Costa
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,IBMC-Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - A Gerós
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,FEUP-Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - J Meneses
- CDRSP-IPL-Centre for Rapid and Sustainable Product Development-Instituto Politécnico de Leiria, Marinha Grande, Portugal.,IBEB-Instituto de Biofísica e Engenharia Biomédica, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal
| | - P Faria
- CDRSP-IPL-Centre for Rapid and Sustainable Product Development-Instituto Politécnico de Leiria, Marinha Grande, Portugal
| | - E Neto
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - M Lamghari
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - M M Sousa
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,IBMC-Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - P Aguiar
- I3S-Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,INEB-Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
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Costa AR, Sousa SC, Pinto-Costa R, Mateus JC, Lopes CD, Costa AC, Rosa D, Machado D, Pajuelo L, Wang X, Zhou FQ, Pereira AJ, Sampaio P, Rubinstein BY, Mendes Pinto I, Lampe M, Aguiar P, Sousa MM. The membrane periodic skeleton is an actomyosin network that regulates axonal diameter and conduction. eLife 2020; 9:55471. [PMID: 32195665 PMCID: PMC7105375 DOI: 10.7554/elife.55471] [Citation(s) in RCA: 44] [Impact Index Per Article: 11.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/24/2020] [Accepted: 03/19/2020] [Indexed: 02/06/2023] Open
Abstract
Neurons have a membrane periodic skeleton (MPS) composed of actin rings interconnected by spectrin. Here, combining chemical and genetic gain- and loss-of-function assays, we show that in rat hippocampal neurons the MPS is an actomyosin network that controls axonal expansion and contraction. Using super-resolution microscopy, we analyzed the localization of axonal non-muscle myosin II (NMII). We show that active NMII light chains are colocalized with actin rings and organized in a circular periodic manner throughout the axon shaft. In contrast, NMII heavy chains are mostly positioned along the longitudinal axonal axis, being able to crosslink adjacent rings. NMII filaments can play contractile or scaffolding roles determined by their position relative to actin rings and activation state. We also show that MPS destabilization through NMII inactivation affects axonal electrophysiology, increasing action potential conduction velocity. In summary, our findings open new perspectives on axon diameter regulation, with important implications in neuronal biology.
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Affiliation(s)
- Ana Rita Costa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Sara C Sousa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Rita Pinto-Costa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - José C Mateus
- i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Cátia Df Lopes
- i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Ana Catarina Costa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - David Rosa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Diana Machado
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Luis Pajuelo
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Xuewei Wang
- Department of Orthopaedic Surgery, Johns Hopkins University School of Medicine; The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, United States
| | - Feng-Quan Zhou
- Department of Orthopaedic Surgery, Johns Hopkins University School of Medicine; The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, United States
| | - António J Pereira
- i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Chromosome Instability and Dynamics Group, Porto, Portugal
| | - Paula Sampaio
- i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Advanced Light Microscopy, IBMC- Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | | | | | - Marko Lampe
- Advanced Light Microscopy Facility, EMBL, Heidelberg, Germany
| | - Paulo Aguiar
- i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.,Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Monica M Sousa
- Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal.,i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
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