Carbachol excites sublaterodorsal nucleus neurons projecting to the spinal cord

Abstract

Key pointsr Activation of spinally projecting sublaterodorsal nucleus (SLD) neurons inhibits motor activity, in part through spinal inhibitory interneurons, to produce muscle atonia during rapid-eye-movement (REM) sleep.r It has long been hypothesized that acetylcholine released during REM sleep contributes to REM sleep atonia through activation of SLD neurons.r We show, using whole-cell recordings in brainstem slices, that acetylcholine directly excites spinally projecting SLD neurons via M 1 and M 3 muscarinic receptors, and increases afferent excitatory synaptic input to these neurons.r These results suggest that acetylcholine contributes to REM sleep muscle atonia through excitation of spinally projecting SLD neurons.Abstract Considerable electrophysiological and pharmacological evidence has long suggested an important role for acetylcholine in the regulation of rapid-eye-movement (REM) sleep. For example, injection of the cholinergic agonist carbachol into the dorsomedial pons produces an REM sleep-like state with muscle atonia and cortical activation, both of which are cardinal features of REM sleep. Located within this region of the pons is the sublaterodorsal nucleus (SLD), a structure thought to be both necessary and sufficient for generating REM sleep muscle atonia. Subsets of glutamatergic SLD neurons potently contribute to motor inhibition during REM sleep through descending projections to motor-related glycinergic/GABAergic neurons in the spinal cord and ventromedial medulla. Prior electrophysiological and pharmacological studies examining the effects of acetylcholine on SLD neurons have, however, produced conflicting results. In the present study, we sought to clarify how acetylcholine influences the activity of spinally projecting SLD (SLDsp) neurons. We used retrograde tracing in combination with patch-clamp recordings and recorded pre-and postsynaptic effects of carbachol on SLDsp neurons. Carbachol acted presynaptically by increasing the frequency of glutamatergic miniature excitatory postsynaptic currents. We also found that carbachol directly excited SLDsp neurons by activating an Na + -Ca 2+ exchanger. Both pre-and postsynaptic effects were mediated by co-activation of M 1 and M 3 muscarinic receptors. These observations suggest that acetylcholine produces synergistic, excitatory pre-and postsynaptic responses on SLDsp neurons that, in turn, probably serve to promote muscle atonia during REM sleep.

Optogenetic activation of cholinergic neurons in the PPT or LDT induces REM sleep

“…*Significant differences between groups with 99% confidence (details of the numbers used to generate the inference are provided in Table 2). (40). Animals with fibers that were optimally positioned over the PPT and had the highest fiber transmittance had the strongest REM induction effect.…”

Modelo in vitro para el estudio del papel de la unión mesopontina en la generación del sueño de movimientos oculares rápidos y la vigilia

“…La estabilidad de la latencia de las respuestas en diversas condiciones de estimulación (47) conjuntamente con la obtención de IPSCs aislados farmacológicamente por bloqueo de la transmisión glutamatérgica, sugieren que la inervación no colinérgica del PnO originada en el LDT-PPT ipsilateral, involucra contactos sináp-ticos directos sobre neuronas del PnO. En virtud de la sensibilidad de las respuestas provocadas a los bloqueantes utilizados y coherentemente con hallazgos previos en la FRP de la rata (25) (26) , los EPSCs involucran la activación de receptores ionotrópicos de glutamato (NMDA y AMPA) en tanto que los IPSCs, receptores de tipo GABAA. Tomando en cuenta la latencia de las respuestas postsinápticas en las neuronas del PnO provocadas por el estímulo eléctrico del LDT-PPT (~ 9.8 ms) y la distancia (lineal) medida desde el sitio de estímulo hasta la zona de registro en el PnO (~ 1.5 mm), estimando un retardo sináptico ~ 1 ms, la velocidad de conducción de los axones de las neuronas activadas por el estímulo sería cercana a los 0.17 m/s.…”

“…Recientemente, además de la activación de grupos neuronales específicos, la modulación específica dependiente del estado comportamental -colinérgica o monoaminérgica-de los contactos sinápticos de la red mesopontina ha comenzado a formar parte de los mecanismos implicados en la regulación del S-REM (25) (26) . En virtud de la variedad de efectos de los colinomiméticos en las sinapsis glutamatérgicas y GABAérgicas en el SNC en general (90) y en el PnO en particular (25) (26) de acuerdo al tipo de contacto analizado, acotar el estudio de esta eventual modulación a un grupo funcional y anatómicamente homogéneo de entradas sinápti-cas, como el activado por el estímulo eléctrico en nuestra rodaja, puede construir un requisito importante para avanzar en la comprensión de los mecanismos responsables del S-REM que operan en la red mesopontina. Mecanismos colinérgico y GABAérgico del PnO controlan la excitabilidad de las motoneuronas trigeminales en la rodaja mesopontina Como ya se mencionara, la estimulación colinérgica de sitios específicos de la FRP es capaz de inducir un estado indistinguible del S-REM fisiológico incluyendo la atonía propia de este estado comportamental (75)76)(77) (78) .…”

“…La participación de este tipo de fenómenos plásticos a nivel de la red mesopontina ha sido poco explorada (25) (26) y su papel en el control del S-REM y otros estados comportamentales queda aún por determinarse.…”

“…Aún cuando no se utilizaron técnicas electrofisiológicas para confirmar la descarga de potenciales de acción de estas neuronas como consecuencia de la estimulación colinérgica, la señal de calcio observada sugiere su activación a través de receptores muscarínicos usualmente implicados en los efectos excitadores de los colinomiméticos (82) (83) y cuya expresión en estas células ha sido demostrada (12) (78) . Recientemente, Weng et al, (2014) (26) sugieren que la facilitación presináptica, mediada por ACh, de las terminales glutamatérgicas que contactan las neuronas de la FRP podría contribuir a la activación de estas neuronas en respuesta a la aplicación de colinomiméticos.…”