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Nanoscale morphological plasticity tunes the speed of action potentials along axons - PNAS, January 2017

Nanoscale morphological plasticity tunes the speed of action potentials along axons - PNAS, January 2017

STED imaging reveals activity-dependent plasticity of axon morphology linked to changes in action potential conduction velocity
by Ronan Chereau, Ezequiel Saraceno, Julie Angibaud, Daniel Cattaert and U. Valentin Nägerl
Publication date: January 23, 2017 in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

- Abstract

Axons convey information to nearby and distant cells and the time it takes for action potentials to reach their targets governs the timing of information transfer in neural circuits. In the unmyelinated axons of hippocampus, the conduction speed of action potentials depends crucially on axon diameters, which vary widely. However, it is not known whether axon diameters are dynamic and regulated by activity-dependent mechanisms.
Using time-lapse super-resolution microscopy in brain slices, we report that axons grow wider after high-frequency action potential firing: synaptic boutons undergo a rapid enlargement, which is mostly transient, while axon shafts show a more delayed and progressive increase in diameter. Simulations of action potential propagation incorporating these morphological dynamics predicted bi-directional effects on action potential conduction speed. The predictions were confirmed by electrophysiological experiments, revealing a phase of slowed down action potential conduction, which is linked to the transient enlargement of the synaptic boutons, followed by a sustained increase in conduction speed, which accompanies the axon shaft widening induced by high-frequency action potential firing.
Taken together, our study outlines a novel morphological plasticity mechanism for dynamically fine-tuning action potential conduction velocity. which potentially has wide implications for the temporal transfer of information in the brain.

Significance statement

Recent work has called into question the classic view of axons as electro-anatomical cables that faithfully transmit nerve impulses in an all-or-none fashion over variable distances. Due to their small size below the diffraction barrier of light microscopy, it has not been possible to resolve their dynamic morphology in living brain tissue. Enabled by a combination of live-cell super-resolution STED microscopy, electrophysiology and mathematical modelling, Chéreau et al. show that high-frequency action potential firing induces structural enlargement of boutons and axon shafts in hippocampal brain slices, which in turn drives changes in the conduction velocity of nerve impulses (action potentials). The findings reveal a new mechanism for tuning the timing of communication between nerve cells.

- Résumé

Les axones transmettent des informations aux neurones proches ou très éloignés. Le temps de propagation des potentiels d’action générés détermine le temps de transfert de l’information dans les circuits neuronaux. Dans les axones dépourvus de myéline, la vitesse de conduction des potentiels d’action dépend fondamentalement du diamètre des axones, qui est très variable. Or, nous ne savons pas si les diamètres des axones sont dynamiques et régulés par des mécanismes dépendants de l’activité neuronale.
En utilisant la microscopie de super-résolution par intervalles de temps dans des tranches de cerveau, nous montrons que les axones deviennent plus larges suite à une décharge de potentiels d’action à haute fréquence: les boutons synaptiques s’élargissent rapidement d’une manière transitoire, tandis que le diamètre de l’arbre axonal augmente tardivement plus progressivement. Des simulations numériques de la propagation des potentiels d’action incorporant ces dynamiques morphologiques ont prévu des effets bidirectionnels sur la vitesse de conduction des potentiels d’action. Des expériences d’électrophysiologie confirment ces prédictions. En effet, elles montrent dans un premier temps que la conduction des potentiels d’action ralentit lorsque les boutons synaptiques s’agrandissement de manière transitoire. Puis, qu’une augmentation prolongée de la vitesse de conduction accompagne l’élargissement de l’arbre axonal induit par une décharge de potentiels d’action à haute fréquence. Globalement, notre étude décrit un nouveau mécanisme de la plasticité morphologique qui explique la régulation fine de la vitesse de conduction des potentiels d’action. Ces résultats sont potentiellement importants pour comprendre la régulation temporelle de la propagation de l’information neuronale dans le cerveau.

Résultat

Ce travail récent a remis en question la vision classique des axones. En effet, ils ont longtemps été considérés comme des câbles électriques qui transmettent fidèlement des impulsions nerveuses d’une manière binaire, "tout ou rien", sur des distances variables. En raison de leur petite taille, une centaine de nanomètres, il n’a pas été possible d’étudier la dynamique de leur morphologie dans le tissu cérébral vivant avec la microscopie de fluorescence habituelle. Le développement de la microscopie de fluorescence à super-résolution permet actuellement l’observation de ces structures à l’échelle nanométrique. En combinant la microscopie à super-résolution STED sur cellules vivantes, des techniques pour enregistrer l’activité électrique neuronale et des simulations mathématiques, Chéreau et ses collaborateurs montrent que lorsque l’on induit une activité neuronale (potentiels d’action) à haute fréquence, les axones s’élargissent et ainsi modifient la vitesse de la transmission des potentiels d’action. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme pour mieux comprendre la régulation temporelle de la communication entre les neurones.

Super-resolution imaging of axons and their plasticity / Imagerie à super-résolution des axones et de leur plasticité
Ronan Chéreau et Valentin Nägerl, CNRS

Super-resolution imaging of axons and their plasticity.

The image shows fluorescently labeled axons imaged by STED microscopy in a living mouse brain slice. Chéreau et al. discovered that neuronal activity drives nanoscale remodeling of axonal morphology, which impacts the conduction speed of nerve impulses down the axon.
See the article by Chéreau et al. PNAS 2017 (here).
Image courtesy of Ronan Chéreau and Valentin Nägerl. CNRS

Imagerie à super-résolution des axones et de leur plasticité
Cette image, réalisée avec un microscope à super-résolution appelé STED, montre des neurones colorés avec une protéine fluorescente dans un tissu cérébral vivant de souris. Chéreau et ses collaborateurs ont montré que l’activité électrique des neurones induit un remodelage à l’échelle nanométrique de la morphologie de l’axone. Ceci a un impact important sur la vitesse de la transmission des messages électriques nerveux le long de l’axone.
Cf. article de Chéreau et al. PNAS 2017 (ici).
Image reproduite avec la permission de Ronan Chéreau et Valentin Nägerl, CNRS.

- Cf. Communiqué de presse CNRS (x)

Contact: Valentin Nägerl