Assessing the impact of neuronal activityon the redox balance of neurons and glia

Abstract

Maintaining physiological variables at a set point is crucial to the organization and function of the nervous system. Homeostatic synaptic plasticity, also known as synaptic scaling, is a form of neuronal plasticity which responds to disrupted activity in a neural circuit by using negative feedback, allowing individual neurons to modify their overall firing rate. Due to its importance in homeostasis, its investigation is of the utmost relevance. Until now, there was no evidence of the role of synaptic scaling in the redox balance of neurons and their neighboring glia. In this work, the retina of the chick embryo is used as the experimental model, and neuronal activity is modulated: neurons are upscaled (increase in the firing rate due to chronic inactivity) or downscaled (decrease in the firing rate due to chronic overactivity), to assess the impact of this modulation on the redox balance of neurons and glia. We demonstrated that upscaling or downscaling altered the redox balance of neurons. More specifically, both changed the redox balance towards a more reduced state of the cytosol. This change in cytosolic redox state was accompanied by an increase in the membrane expression of the Sodium Vitamin C co-transporter 2 (SVCT2) without affecting the content of intracellular ascorbate, the reduced form of vitamin C. Neuronal downscaling also led to redox alterations in the Müller glia, but not neuronal upscaling. Moreover, since mitochondria are the major ROS-producing organelle and previous studies have reported its alteration in neuronal activity, its oxidative damage level was assessed. Our model showed no alteration in the mitochondrial status upon synaptic scaling.

Manter as variáveis fisiológicas homeostáticas é crucial para a organização e função do sistema nervoso. A plasticidade sináptica homeostática, também conhecida como ”synaptic scaling”, é uma forma de plasticidade neuronal que responde à atividade anormal em um circuito neural usando feedback negativo, permitindo que neurónios individuais modifiquem a sua taxa de disparo. Devido à sua importância na homeostasia, a sua investigação é de extrema relevância. Até agora não havia evidências do papel do “synaptic scaling” no equilíbrio redox dos neurónios e suas glias vizinhas. Neste trabalho, a retina do embrião de galinha é usada como modelo experimental e a atividade neuronal é modulada: os neurónios são “upscaled” (aumento nos disparos de potenciais de ação após inatividade prolongada) ou “downscaled” (diminuição dos disparos após hiperatividade crónica) para posterior avaliação do seu impacto no balanço redox de neurónios e glia. Demonstramos que tanto o upscaling quanto o downscaling alteraram o balanço redox dos neurónios. Mais especificamente, ambos alteraram o equilíbrio redox para um estado mais reduzido do citosol. Este aumento na redução das proteínas foi acompanhado com um aumento na expressão de membrana do co-transportador de sódio e vitamina C tipo 2 (SVCT2), sem afetar o conteúdo intracelular de ascorbato, a forma predominante e reduzida da vitamina C. O downscaling neuronal também levou a alterações no balanço redox na glia de Müller, mas tal não foi observado com o upscaling neuronal. Além disso, como as mitocôndrias são o principal organelo produtor de ROS, e estudos anteriores relataram sua alteração na atividade neuronal, seu nível de dano oxidativo foi avaliado. No nosso modelo, nenhuma alteração foi observada no estado mitocondrial face ao “synaptic scaling”.