Fractal behavior at central synapses: characterization of quantal release after long-term potentiation

The integration of synaptic activity mediated by a neuron and the effects that it produces on the activity of a neuronal network is one of the most cutting-edge topics in neuroscience. A real comprehension of this process is hindered by our limited knowledge about the mechanisms underlying the generation of synaptic signals, either evoked by action potentials or spontaneous. Several studies prove that synaptic transmission at chemical synapses has a quantal nature. Chemical synapses of both the central and the peripheral nervous systems are able to transmit information thanks to the release of discrete packets of neurotransmitter, also known as synaptic quanta, whose anatomical counterpart is represented by the synaptic vesicles. Both the action potential evoked and spontaneous release processes share a common pool of synaptic vesicles and this duality of transmission based on the same source of quanta explains the complex interactions between these two processes. With these clear ideas in mind, I started the study of synaptic transmission in the hippocampus and, in particular, the synaptic mechanisms underlying the spontaneous release of quanta. In this survey, the application of non-linear analysis methods to the series of spontaneous releases generated clear experimental and analytic evidence for the presence of short and long-range dependencies. In particular, we found and characterized 1/f behavior, also referred to as power-law behavior, in a variety of measures computed on the series of quantal releases: power spectral density (PSD), Allan factor (AF), detrended fluctuations analysis (DFA). Aiming at gathering deeper insights about the generation of the fractal behavior observed in the quantal release series, I also studied its emergence in relation to specific experimental treatments, known to act on the vesicle release machinery: the induction of long-term potentiation (LTP) of synapses and the administration of the Latrodectus mactans (black widow) spider toxin (alpha-latrotoxin or alpha-LTX). Both these treatments are able to promote synaptic vesicle fusion. The achievements of my thesis work can be separated into six main parts: I) Recordings of spontaneous quanta from populations of hippocampal synapses in resting conditions. Statistical analysis and characterization of fractal behavior on series of quantal releases recorded in resting conditions, from single synapses and populations. II) Validation of the methods used for the quantification of fractal behavior in quantal release series. III) Experiments where the effects of synaptic plasticity (long-term potentiation, LTP) on quantal release properties were evaluated. IV) Experiments where the effects of alpha-latrotoxin applications on quantal release properties were evaluated. V) Development of an interpretative model explaining the experimental evidence and the analysis results. In conclusion, the results of my study, besides confirming the ubiquity of fractal behavior at all the levels of the nervous system and promote these non-linear features as key elements for facing the study of learning and memory, provides interesting insights for understanding the functioning of the vesicle fusion machinery as well as the pre-synaptic changes supporting neural plasticity.

L'integrazione dell'attività sinaptica mediata da un neurone e gli effetti che essa produce sull'attività di una rete neuronale rappresentano alcuni degli aspetti ad oggi di più grande interesse nelle neuroscienze. Una vera comprensione di questo processo è ostacolata dalla nostra conoscenza limitata dei meccanismi che sottendono alla generazione dei segnali sinaptici, siano essi evocati da potenziali da azione o spontanei. Molti studi dimostrano che la trasmissione alla sinapsi chimica ha natura quantale. Le sinapsi chimiche del sistema nervoso centrale e periferico sono in grado di trasmettere informazione grazie al rilascio di pacchetti discreti di neurotrasmettitore, noti come quanti sinaptici, la cui controparte anatomica è rappresentata dalle vescicole sinaptiche. Sia il processo di rilascio spontaneo che quello evocato da potenziale d'azione condividono lo stesso gruppo di vescicole sinaptiche e questo dualismo della trasmissione, basata sulla stessa sorgente di quanti, spiega la presenza di interazioni complesse tra i due processi. Alla luce di queste premesse, ho affrontato lo studio della trasmissione sinaptica nell'ippocampo e, in particolare, dei meccanismi alla base del rilascio spontaneo di quanti. Nel corso di questa ricerca, l'applicazione di metodi di analisi non lineare alle serie di rilascio spontaneo ha prodotto chiare evidenze sperimentali e analitiche che dimostrano la presenza di correlazioni di breve e di lungo periodo. In particolare, abbiamo osservato e caratterizzato comportamento 1/f, noto anche come comportamento a legge di potenza, in diverse misure effettuate sulle serie di rilascio quantale: power spectral density (PSD), Allan factor (AF), detrended fluctuations analysis (DFA). Al fine di ottenere una visione più approfondita sulla generazione del comportamento frattale osservato nelle serie di rilascio quantale, ho inoltre studiato la sua presenza in relazione a specifici trattamenti sperimentali che sono noti agire sul macchinario di rilascio vescicolare: l'induzione di potenziamento di lungo termine (LTP) delle sinapsi e la somministrazione della tossina del ragno Latrodectus mactans (vedova nera, alfa-latrotossina o alfa-LTX). Entrambi questi trattamenti sono in grado di promuovere la fusione di vescicole sinaptiche. I risultati del mio lavoro di tesi possono essere separati in sei parti: I) Registrazione di quanti spontanei da popolazioni di sinapsi ippocampali in condizioni di riposo. Analisi statistica e caratterizzazione del comportamento frattale su serie di rilasci spontanei registrate in condizioni di riposo, da singola sinpasi e popolazioni. II) Validazione dei metodi usati per la quantificazione del comportamento frattale nelle serie di rilascio quantale. III) Esperimenti in cui sono stati valutati gli effetti della plasticità sinaptica (potenziamento di lungo termine, LTP) sulle proprietà del rilascio quantale. IV) Esperimenti in cui sono stati valutati gli effetti dell'applicazione di alfa-latrotossina sulle proprietà del rilascio quantale. V) Sviluppo di un modello interpretativo che spiega le evidenze sperimentali e i risultati dell'analisi. In conclusione, i risultati del mio studio, oltre a confermare l'ubiquità del comportamento frattale a tutti i livelli del sistema nervoso e promuovere queste caratteristiche non-lineari al ruolo di elementi chiave per lo studio dell'apprendimento e della memoria, fornisce osservazioni interessanti per comprendere sia il funzionamento del macchinario di fusione vescicolare che i cambiamenti pre-sinaptici che supportano la plasticità neuronale.