The synergetic modulation of the excitability of central gray matter by a neuropeptide: two protocols using excitation waves in chick retina

The isolated chick retina provides an in vitro tissue model, in which two protocols were developed to verify the efficacy of a peptide in the excitability control of the central gray matter. In the first, extra-cellular potassium homeostasis is challenged at long intervals and in the second, a wave is trapped in a ring of tissue causing the system to be under self-sustained challenge. Within the neuropil, the extra-cellular potassium transient observed in the first protocol was affected from the initial rising phase to the final concentration at the end of the five-minute pulse. There was no change in the concomitants of excitation waves elicited by the extra-cellular rise of potassium. However, there was an increase on the elicited waves latency and/or a rise in the threshold potassium concentration for these waves to appear. In the second protocol, the wave concomitants and the propagation velocity were affected by the peptide. The results suggest a synergetic action of the peptide on glial and synaptic membranes: by accelerating the glial Na/KATPase and changing the kinetics of the glial potassium channels, with glia tending to accumulate KCl. At the same time, there is an increase in potassium currents through nerve terminals.

Retinas de pinto isoladas proporcionam um modelo de tecidos in vitro, para o qual dois protocolos foram desenvolvidos para verificar a eficácia de um peptídeo no controle da excitabilidade da matéria cinzenta central. No primeiro, a homeostase do potássio extra-celular é desafiada por intervalos longos (1 hora) e no segundo, uma onda é capturada em um anel de tecido, de tal maneira que o sistema permaneça em estado de desafio auto-sustentado. Dentro da neuropil, o transiente de potássio extra-celular observado no primeiro protocolo foi afetado da fase de início de aumento à concentração final, ao final do pulso de cinco minutos. Não há mudanças nos parâmetros concomitantes das ondas de excitação geradas pelo aumento do potássio extra-celular. Entretanto, houve um aumento da latência das ondas geradas e/ou um aumento no nível de concentração de potássio necessário para gerar a onda. No segundo protocolo, os parâmetros concomitantes da onda e sua velocidade de propagação foram afetados pelo peptídeo. Os resultados sugerem uma ação sinergética do peptídeo nas membranas gliais e sinápticas: acelerando o Na/KATPase glial e mudando a cinética dos canais de potássio gliais, com a glia tendendo a acumular KCl. Nesse período, não há aumento nas correntes de potássio nas terminações nervosas.

Wave onset in central gray matter - its intrinsic optical signal and phase transitions in extracellular polymers

The brain is an excitable media in which excitation waves propagate at several scales of time and space. ''One-dimensional'' action potentials (millisecond scale) along the axon membrane, and spreading depression waves (seconds to minutes) at the three dimensions of the gray matter neuropil (complex of interacting membranes) are examples of excitation waves. In the retina, excitation waves have a prominent intrinsic optical signal (IOS). This optical signal is created by light scatter and has different components at the red and blue end of the spectrum. We could observe the wave onset in the retina, and measure the optical changes at the critical transition from quiescence to propagating wave. The results demonstrated the presence of fluctuations preceding propagation and suggested a phase transition. We have interpreted these results based on an extrapolation from Tasaki's experiments with action potentials and volume phase transitions of polymers. Thus, the scatter of red light appeared to be a volume phase transition in the extracellular matrix that was caused by the interactions between the cellular membrane cell coat and the extracellular sugar and protein complexes. If this hypothesis were correct, then forcing extracellular current flow should create a similar signal in another tissue, provided that this tissue was also transparent to light and with a similarly narrow extracellular space. This control tissue exists and it is the crystalline lens. We performed the experiments and confirmed the optical changes. Phase transitions in the extracellular polymers could be an important part of the long-range correlations found during wave propagation in central nervous tissue

Descriçäo compartimentalizada das dinâmicas iônicas intra e extracelulares de tecidos neuronais / Compartment description of intracellular and extracellular ionic dynamics of neuronal tissues

Em geral, a modelagem realística de sistemas neuronais considera os circuitos elétricos análogos aos mecanismos de geração de correntes elétricas, potenciais e campos elétricos, não considerando os de difusão e eletrodifusão. Entretanto, na simulação de fenômenos que envolvem grandes fluxos iônicos, tais como o fenômeno da Depressão Alastrante de Leão, onde esses mecanismos são comprovadamente essenciais, faz-se necessária a descrição das dinâmicas iônicas envolvidas. Com esse objetivo, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma representação compartimentalizada para as dinâmicas intra e extracelulares em tecidos neuronais, a qual pode ser verificada como representativa de um modelo analítico, de onde leis básicas, tais como a lei de Fick e a equação de Nerst, podem ser deduzidas.