A sinalização muscarínica exerce função modulatória sobre diferentes aspectos da cognição e emoções. Todos os cinco subtipos de receptores muscarínicos (mAChR), M1 a M5, são expressos no hipocampo de mamíferos e são ativados de forma sobreposta pela maioria dos fármacos, dificultando avanços significativos na compreensão da contribuição de cada componente desse sistema. A toxina muscarínica 3 (MT3) é um antagonista seletivo para o subtipo M4, permitindo a investigação das ações modulatórias deste receptor no aprendizado, memória e plasticidade sináptica. Os M4 são receptores acoplados à proteína G (GPCRs) que atuam via Gi/o desencadeando efeitos inibitórios sobre as células em que estão presentes. Estudos comportamentais anteriores indicam que a administração de MT3 imediatamente após o treino em uma tarefa aversiva produz efeito amnéstico, enquanto que a administração antes da evocação, causa facilitação. Uma explicação para estes resultados é que os circuitos locais envolvidos na consolidação e na evocação da memória diferem em sua natureza. Nesse contexto, sugere-se que o efeito amnéstico da MT3 sobre a consolidação seja consequência da supressão da inibição de interneurônios GABAérgicos; enquanto que na evocação, esse efeito se daria sobre as sinapses glutamatérgicas. Assim, no presente trabalho, com o objetivo de investigar como o receptor M4 modula a plasticidade sináptica de longa duração e interage com uma dessas sinalizações, no caso a GABAérgica, utilizou-se a técnica de eletrofisiologia in vivo de hipocampo de ratos anestesiados. Para tanto, foram realizados registros extracelulares do potencial excitatório pós-sináptico de campo (fEPSP) de CA1 evocados por estimulação contralateral da via Colateral de Schaffer com infusão dos fármacos 15 min antes ou depois da estimulação elétrica de alta ou baixa frequência (HFS: 10 trens 0,5 Hz, 20 pulsos 100 Hz; ou LFS: 600 pulsos 1 Hz, respectivamente). MT3 (4,0 μg/μl), bicuculina (0,06 μg/μl), baclofen (0,2 μg/μl) e veículo, isoladamente ou combinados, não alteraram a amplitude da resposta evocada basal ou a facilitação por pulso pareado (FPP) 15 min após a infusão. MT3 aparentemente atenuou, mas não de forma significativa, a potenciação de longa duração (LTP) em relação ao controle (potenciação 60 min após a HFS de 31,8% e 66,0%, respectivamente). Além disso, não houve diferença significativa entre a amplitude do fEPSP no período basal e 60 min após a HFS sob ação da MT3. Bicuculina, embora não tenha abolido a LTP e nem causado alteração na FPP, produziu uma potenciação de apenas 36,4%. Baclofen promoveu uma potenciação semelhante à dos controles. A administração de baclofen também reduziu significativamente a FPP em relação ao basal. A administração conjunta de MT3 com bicuculina ou baclofen promoveu uma potenciação semelhante ao controle. MT3 não apresentou efeito sobre a manutenção da LTP quando aplicada 15 min após a HFS. Por fim, não foi possível induzir a depressão de longa duração (LTD) com o protocolo de LFS utilizado. Embora não tenha ocorrido diferença estatisticamente significativa entre os grupos devido ao baixo número de animais utilizados, os dados sugerem a possibilidade de uma amplitude reduzida da LTP quando da injeção de bicuculina. Baclofen alterou a FPP em relação ao fEPSP basal, o mesmo não tendo sido observado no grupo controle. Com a administração concomitante de MT3, tais alterações deixam de ser identificadas. Ainda que os achados experimentais sejam inconclusivos e preliminares, este trabalho permitiu a padronização da técnica de eletrofisiologia in vivo em animal anestesiado o que abre portas para futuras investigações. / The cholinergic muscarinic system exerts modulatory function over different aspects of cognition and emotion. All five muscarinic receptors subtypes (mAChR), M1 to M5, are expressed at mammals hippocampus and at least two of them are simultaneously activated by most of the drugs, hindering significant advances on the role of each component of this system. The muscarinic toxin 3 (MT3) is a selective antagonist for the M4 subtype, allowing the investigation of the modulatory actions of this receptor over learning, memory and synaptic plasticity. The M4 are G protein coupled receptors (GPCRs) that act through Gi/o triggering inhibitory effects on which cells they are occur. Previous behavioral studies have shown that administration of MT3 soon after aversive task training exerts amnestic effects over memory, while administration prior to recall, leads to facilitation. A possible explanation to these results could be that the local circuits involved on memory consolidation and recall are different in nature. On this perspective, the amnestic effect of MT3 over memory consolidation should be consequence of GABAergic interneurons inhibition suppression; while the effect on recall, should be over glutamatergic synapses modulation. Thereby, the present work, with the objective to investigate how the M4 receptor modulates long-term synaptic plasticity and interacts with the GABAergic system, in vivo electrophysiological approach of anesthetized rats’ hippocampus was applied. Hence, field excitatory postsynaptic potentials (fEPSP) from CA1 were recorded after stimulation of contralateral Schaffer Collateral pathway with drugs infusion 15 min before or after high or low frequency electric stimulation (HFS: 10 trains 0.5 Hz, 20 pulses 100 Hz; LFS: 600 pulses 1 Hz, respectively). Neither MT3 (4.00 μg/μl), bicuculline (0.06 μg/μl), baclofen (0.20 μg/μl) nor vehicle, isolated or combined, changed the baseline evoked response amplitude 15 min after infusion nor the paired-pulse facilitation ratio (PPF). MT3 apparently attenuated, but not significantly, the long-term potentiation (LTP) compared to control (31.8% and 66.0% potentiation 60 min after HFS, respectively). In addition, there was no significant difference between baseline and 60 min after HFS fEPSP amplitude at MT3 group. Bicuculline, although did not abolish LTP neither changed PPF, it did produce a potentiation of only 36.4%. Baclofen induced a potentiation similar to control group. Baclofen administration also significantly reduced PPF compared to baseline. The simultaneous administration of MT3 and bicuculline or baclofen led to a potentiation similar to the control group. MT3 did not show any effect over LTP maintenance when applied 15 min after HFS. Lastly, it was not possible to induce long-term depression (LTD) with the used LFS protocol. Although there was no statistical significance between groups due to the low animal numbers used, data suggest that bicuculline had reduced LTP amplitude. Baclofen did alter PPF and the same was not observed on control group. When bicuculline or baclofen were injected with MT3, those alterations were not observed. These are inconclusive and preliminary results, notwithstanding this work allowed to set up the in vivo electrophysiology technique in anesthetized animals what will provide new tools for future research.

A sinalização muscarínica exerce função modulatória sobre diferentes aspectos da cognição e emoções. Todos os cinco subtipos de receptores muscarínicos (mAChR), M1 a M5, são expressos no hipocampo de mamíferos e são ativados de forma sobreposta pela maioria dos fármacos, dificultando avanços significativos na compreensão da contribuição de cada componente desse sistema. A toxina muscarínica 3 (MT3) é um antagonista seletivo para o subtipo M4, permitindo a investigação das ações modulatórias deste receptor no aprendizado, memória e plasticidade sináptica. Os M4 são receptores acoplados à proteína G (GPCRs) que atuam via Gi/o desencadeando efeitos inibitórios sobre as células em que estão presentes. Estudos comportamentais anteriores indicam que a administração de MT3 imediatamente após o treino em uma tarefa aversiva produz efeito amnéstico, enquanto que a administração antes da evocação, causa facilitação. Uma explicação para estes resultados é que os circuitos locais envolvidos na consolidação e na evocação da memória diferem em sua natureza. Nesse contexto, sugere-se que o efeito amnéstico da MT3 sobre a consolidação seja consequência da supressão da inibição de interneurônios GABAérgicos; enquanto que na evocação, esse efeito se daria sobre as sinapses glutamatérgicas. Assim, no presente trabalho, com o objetivo de investigar como o receptor M4 modula a plasticidade sináptica de longa duração e interage com uma dessas sinalizações, no caso a GABAérgica, utilizou-se a técnica de eletrofisiologia in vivo de hipocampo de ratos anestesiados. Para tanto, foram realizados registros extracelulares do potencial excitatório pós-sináptico de campo (fEPSP) de CA1 evocados por estimulação contralateral da via Colateral de Schaffer com infusão dos fármacos 15 min antes ou depois da estimulação elétrica de alta ou baixa frequência (HFS: 10 trens 0,5 Hz, 20 pulsos 100 Hz; ou LFS: 600 pulsos 1 Hz, respectivamente). MT3 (4,0 μg/μl), bicuculina (0,06 μg/μl), baclofen (0,2 μg/μl) e veículo, isoladamente ou combinados, não alteraram a amplitude da resposta evocada basal ou a facilitação por pulso pareado (FPP) 15 min após a infusão. MT3 aparentemente atenuou, mas não de forma significativa, a potenciação de longa duração (LTP) em relação ao controle (potenciação 60 min após a HFS de 31,8% e 66,0%, respectivamente). Além disso, não houve diferença significativa entre a amplitude do fEPSP no período basal e 60 min após a HFS sob ação da MT3. Bicuculina, embora não tenha abolido a LTP e nem causado alteração na FPP, produziu uma potenciação de apenas 36,4%. Baclofen promoveu uma potenciação semelhante à dos controles. A administração de baclofen também reduziu significativamente a FPP em relação ao basal. A administração conjunta de MT3 com bicuculina ou baclofen promoveu uma potenciação semelhante ao controle. MT3 não apresentou efeito sobre a manutenção da LTP quando aplicada 15 min após a HFS. Por fim, não foi possível induzir a depressão de longa duração (LTD) com o protocolo de LFS utilizado. Embora não tenha ocorrido diferença estatisticamente significativa entre os grupos devido ao baixo número de animais utilizados, os dados sugerem a possibilidade de uma amplitude reduzida da LTP quando da injeção de bicuculina. Baclofen alterou a FPP em relação ao fEPSP basal, o mesmo não tendo sido observado no grupo controle. Com a administração concomitante de MT3, tais alterações deixam de ser identificadas. Ainda que os achados experimentais sejam inconclusivos e preliminares, este trabalho permitiu a padronização da técnica de eletrofisiologia in vivo em animal anestesiado o que abre portas para futuras investigações. / The cholinergic muscarinic system exerts modulatory function over different aspects of cognition and emotion. All five muscarinic receptors subtypes (mAChR), M1 to M5, are expressed at mammals hippocampus and at least two of them are simultaneously activated by most of the drugs, hindering significant advances on the role of each component of this system. The muscarinic toxin 3 (MT3) is a selective antagonist for the M4 subtype, allowing the investigation of the modulatory actions of this receptor over learning, memory and synaptic plasticity. The M4 are G protein coupled receptors (GPCRs) that act through Gi/o triggering inhibitory effects on which cells they are occur. Previous behavioral studies have shown that administration of MT3 soon after aversive task training exerts amnestic effects over memory, while administration prior to recall, leads to facilitation. A possible explanation to these results could be that the local circuits involved on memory consolidation and recall are different in nature. On this perspective, the amnestic effect of MT3 over memory consolidation should be consequence of GABAergic interneurons inhibition suppression; while the effect on recall, should be over glutamatergic synapses modulation. Thereby, the present work, with the objective to investigate how the M4 receptor modulates long-term synaptic plasticity and interacts with the GABAergic system, in vivo electrophysiological approach of anesthetized rats’ hippocampus was applied. Hence, field excitatory postsynaptic potentials (fEPSP) from CA1 were recorded after stimulation of contralateral Schaffer Collateral pathway with drugs infusion 15 min before or after high or low frequency electric stimulation (HFS: 10 trains 0.5 Hz, 20 pulses 100 Hz; LFS: 600 pulses 1 Hz, respectively). Neither MT3 (4.00 μg/μl), bicuculline (0.06 μg/μl), baclofen (0.20 μg/μl) nor vehicle, isolated or combined, changed the baseline evoked response amplitude 15 min after infusion nor the paired-pulse facilitation ratio (PPF). MT3 apparently attenuated, but not significantly, the long-term potentiation (LTP) compared to control (31.8% and 66.0% potentiation 60 min after HFS, respectively). In addition, there was no significant difference between baseline and 60 min after HFS fEPSP amplitude at MT3 group. Bicuculline, although did not abolish LTP neither changed PPF, it did produce a potentiation of only 36.4%. Baclofen induced a potentiation similar to control group. Baclofen administration also significantly reduced PPF compared to baseline. The simultaneous administration of MT3 and bicuculline or baclofen led to a potentiation similar to the control group. MT3 did not show any effect over LTP maintenance when applied 15 min after HFS. Lastly, it was not possible to induce long-term depression (LTD) with the used LFS protocol. Although there was no statistical significance between groups due to the low animal numbers used, data suggest that bicuculline had reduced LTP amplitude. Baclofen did alter PPF and the same was not observed on control group. When bicuculline or baclofen were injected with MT3, those alterations were not observed. These are inconclusive and preliminary results, notwithstanding this work allowed to set up the in vivo electrophysiology technique in anesthetized animals what will provide new tools for future research.

A sinalização muscarínica exerce função modulatória sobre diferentes aspectos da cognição e emoções. Todos os cinco subtipos de receptores muscarínicos (mAChR), M1 a M5, são expressos no hipocampo de mamíferos e são ativados de forma sobreposta pela maioria dos fármacos, dificultando avanços significativos na compreensão da contribuição de cada componente desse sistema. A toxina muscarínica 3 (MT3) é um antagonista seletivo para o subtipo M4, permitindo a investigação das ações modulatórias deste receptor no aprendizado, memória e plasticidade sináptica. Os M4 são receptores acoplados à proteína G (GPCRs) que atuam via Gi/o desencadeando efeitos inibitórios sobre as células em que estão presentes. Estudos comportamentais anteriores indicam que a administração de MT3 imediatamente após o treino em uma tarefa aversiva produz efeito amnéstico, enquanto que a administração antes da evocação, causa facilitação. Uma explicação para estes resultados é que os circuitos locais envolvidos na consolidação e na evocação da memória diferem em sua natureza. Nesse contexto, sugere-se que o efeito amnéstico da MT3 sobre a consolidação seja consequência da supressão da inibição de interneurônios GABAérgicos; enquanto que na evocação, esse efeito se daria sobre as sinapses glutamatérgicas. Assim, no presente trabalho, com o objetivo de investigar como o receptor M4 modula a plasticidade sináptica de longa duração e interage com uma dessas sinalizações, no caso a GABAérgica, utilizou-se a técnica de eletrofisiologia in vivo de hipocampo de ratos anestesiados. Para tanto, foram realizados registros extracelulares do potencial excitatório pós-sináptico de campo (fEPSP) de CA1 evocados por estimulação contralateral da via Colateral de Schaffer com infusão dos fármacos 15 min antes ou depois da estimulação elétrica de alta ou baixa frequência (HFS: 10 trens 0,5 Hz, 20 pulsos 100 Hz; ou LFS: 600 pulsos 1 Hz, respectivamente). MT3 (4,0 μg/μl), bicuculina (0,06 μg/μl), baclofen (0,2 μg/μl) e veículo, isoladamente ou combinados, não alteraram a amplitude da resposta evocada basal ou a facilitação por pulso pareado (FPP) 15 min após a infusão. MT3 aparentemente atenuou, mas não de forma significativa, a potenciação de longa duração (LTP) em relação ao controle (potenciação 60 min após a HFS de 31,8% e 66,0%, respectivamente). Além disso, não houve diferença significativa entre a amplitude do fEPSP no período basal e 60 min após a HFS sob ação da MT3. Bicuculina, embora não tenha abolido a LTP e nem causado alteração na FPP, produziu uma potenciação de apenas 36,4%. Baclofen promoveu uma potenciação semelhante à dos controles. A administração de baclofen também reduziu significativamente a FPP em relação ao basal. A administração conjunta de MT3 com bicuculina ou baclofen promoveu uma potenciação semelhante ao controle. MT3 não apresentou efeito sobre a manutenção da LTP quando aplicada 15 min após a HFS. Por fim, não foi possível induzir a depressão de longa duração (LTD) com o protocolo de LFS utilizado. Embora não tenha ocorrido diferença estatisticamente significativa entre os grupos devido ao baixo número de animais utilizados, os dados sugerem a possibilidade de uma amplitude reduzida da LTP quando da injeção de bicuculina. Baclofen alterou a FPP em relação ao fEPSP basal, o mesmo não tendo sido observado no grupo controle. Com a administração concomitante de MT3, tais alterações deixam de ser identificadas. Ainda que os achados experimentais sejam inconclusivos e preliminares, este trabalho permitiu a padronização da técnica de eletrofisiologia in vivo em animal anestesiado o que abre portas para futuras investigações. / The cholinergic muscarinic system exerts modulatory function over different aspects of cognition and emotion. All five muscarinic receptors subtypes (mAChR), M1 to M5, are expressed at mammals hippocampus and at least two of them are simultaneously activated by most of the drugs, hindering significant advances on the role of each component of this system. The muscarinic toxin 3 (MT3) is a selective antagonist for the M4 subtype, allowing the investigation of the modulatory actions of this receptor over learning, memory and synaptic plasticity. The M4 are G protein coupled receptors (GPCRs) that act through Gi/o triggering inhibitory effects on which cells they are occur. Previous behavioral studies have shown that administration of MT3 soon after aversive task training exerts amnestic effects over memory, while administration prior to recall, leads to facilitation. A possible explanation to these results could be that the local circuits involved on memory consolidation and recall are different in nature. On this perspective, the amnestic effect of MT3 over memory consolidation should be consequence of GABAergic interneurons inhibition suppression; while the effect on recall, should be over glutamatergic synapses modulation. Thereby, the present work, with the objective to investigate how the M4 receptor modulates long-term synaptic plasticity and interacts with the GABAergic system, in vivo electrophysiological approach of anesthetized rats’ hippocampus was applied. Hence, field excitatory postsynaptic potentials (fEPSP) from CA1 were recorded after stimulation of contralateral Schaffer Collateral pathway with drugs infusion 15 min before or after high or low frequency electric stimulation (HFS: 10 trains 0.5 Hz, 20 pulses 100 Hz; LFS: 600 pulses 1 Hz, respectively). Neither MT3 (4.00 μg/μl), bicuculline (0.06 μg/μl), baclofen (0.20 μg/μl) nor vehicle, isolated or combined, changed the baseline evoked response amplitude 15 min after infusion nor the paired-pulse facilitation ratio (PPF). MT3 apparently attenuated, but not significantly, the long-term potentiation (LTP) compared to control (31.8% and 66.0% potentiation 60 min after HFS, respectively). In addition, there was no significant difference between baseline and 60 min after HFS fEPSP amplitude at MT3 group. Bicuculline, although did not abolish LTP neither changed PPF, it did produce a potentiation of only 36.4%. Baclofen induced a potentiation similar to control group. Baclofen administration also significantly reduced PPF compared to baseline. The simultaneous administration of MT3 and bicuculline or baclofen led to a potentiation similar to the control group. MT3 did not show any effect over LTP maintenance when applied 15 min after HFS. Lastly, it was not possible to induce long-term depression (LTD) with the used LFS protocol. Although there was no statistical significance between groups due to the low animal numbers used, data suggest that bicuculline had reduced LTP amplitude. Baclofen did alter PPF and the same was not observed on control group. When bicuculline or baclofen were injected with MT3, those alterations were not observed. These are inconclusive and preliminary results, notwithstanding this work allowed to set up the in vivo electrophysiology technique in anesthetized animals what will provide new tools for future research.

<p><a></a><a>The visual system is capable of interpreting immense sensory complexity, allowing us to quickly identify behaviorally relevant stimuli in the environment. It performs this task with a hierarchical organization that works to detect, relay, and integrate visual stimulus features into an interpretable form. To understand the complexities of this system, visual neuroscientists have benefited from the many advantages of using mice as visual models. Despite their poor visual acuity, these animals possess surprisingly complex visual systems, and have been instrumental in understanding how visual features are processed in the primary visual cortex (V1). However, a growing body of literature has shown that primary sensory areas like V1 are capable of more than basic feature detection, but can express neural activity patterns related to learning, memory, categorization, and prediction. </a></p> <p>Visual experience fundamentally changes the encoding and perception of visual stimuli at many scales, and allows us to become familiar with environmental cues. However, the neural processes that govern visual familiarity are poorly understood. By exposing awake mice to repetitively presented visual stimuli over several days, we observed the emergence of low frequency oscillations in the primary visual cortex (V1). The oscillations emerged in population level responses known as visually evoked potentials (VEPs), as well as single-unit responses, and were not observed before the perceptual experience had occurred. They were also not evoked by novel visual stimuli, suggesting that they represent a new form of visual familiarity in the form of low frequency oscillations. The oscillations also required the muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) for their induction and expression, highlighting the importance of the cholinergic system in this learning and memory-based phenomenon. Ongoing visually evoked oscillations were also shown to increase the VEP amplitude of incoming visual stimuli if the stimuli were presented at the high excitability phase of the oscillations, demonstrating how neural activity with unique temporal dynamics can be used to influence visual processing.</p> <p>Given the necessity of perceptual experience for the strong expression of these oscillations and their dependence on the cholinergic system, it was clear we had discovered a phenomenon grounded in visual learning or memory. To further validate this, we characterized this response in a mouse model of Fragile X syndrome (FX), the most common inherited form of autism and a condition with known visual perceptual learning deficits. Using a multifaceted experimental approach, a number of neurophysiological differences were found in the oscillations displayed in FX mice. Extracellular recordings revealed shorter durations and lower power oscillatory activity in FX mice. Furthermore, we found that the frequency of peak oscillatory activity was significantly decreased in FX mice, demonstrating a unique temporal neural impairment not previously reported in FX. In collaboration with Dr. Christopher J. Quinn at Purdue, we performed functional connectivity analysis on the extracellularly recorded spikes from WT and FX mice. This analysis revealed significant impairments in functional connections from multiple layers in FX mice after the perceptual experience; some of which were validated by another graduate student (Qiuyu Wu) using Channelrhodopsin-2 assisted circuit mapping (CRACM). Together, these results shed new light on how visual stimulus familiarity is differentially encoded in FX via persistent oscillations, and allowed us to identify impairments in cross layer connectivity that may underlie these differences. </p> <p>Finally, we asked whether these oscillations are observable in other brain areas or are intrinsic to V1. Furthermore, we sought to determine if the oscillating unit populations in V1 possess uniform firing dynamics, or contribute differentially to the population level response. By performing paired recordings, we did not find prominent oscillatory activity in two visual thalamic nuclei (dLGN and LP) or a nonvisual area (RSC) connected to V1, suggesting the oscillations may not propagate with similar dynamics via cortico-thalamic connections or retrosplenial connections, <a>but may either be uniquely distributed across the visual hierarchy or predominantly</a> restricted to V1. Using K-means clustering on a large population of oscillating units in V1, we found unique temporal profiles of visually evoked responses, demonstrating distinct contributions of different unit sub-populations to the oscillation response dynamics.</p>