Eph/Ephrin interactions and NMDA receptor-dependent plasticity mechanisms guide visual system development in «Xenopus laevis»

In the visual system of Xenopus laevis, retinal ganglion cell (RGC) axons project to the optic tectum of the brain, forming a highly organized topographic map of visual space. Ephs and ephrins are chemoaffinity molecules that guide these RGC axons to the appropriate termination zones in the tectum. Using alkaline phosphatase fusion protein staining of whole mount brains, Ephs and ephrins were found to be expressed in the visual system of Xenopus throughout development. Ephrin-As were expressed in a high caudal/low rostral gradient, while EphBs were expressed in a high dorsomedial/low caudolateral gradient in early development that later shifted to uniform expression in mature animals. This EphB gradient is opposite to that previously reported, and suggests EphB/ephrin-B interactions may not be central mediators of dorsoventral mapping. In addition to chemoaffinity-based guidance, patterned firing contributes to retinotectal development by activating N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors. Using two-photon imaging and electrophysiology, we found that NMDARs are important for the development of RGC axon morphology. Reducing NMDAR expression in individual RGCs with an antisense oligonucleotide morpholino produced extremely simple RGC axon arbors, indicating that NMDARs on RGCs promote branching of the axonal arbor. This branch promotion was only partially dependent on calcium flux through NMDARs, indicating that both ionotropic and metabotropic NMDAR signaling may be important in retinotectal development. We present evidence that these NMDARs are expressed presynaptically on RGC axon terminals: NMDA application causes calcium influx in RGC axon terminals, and NMDAR blockade decreases the frequency of unitary EPSCs. In sum, the formation of the retinotectal projection is highly regulated and complex, involving guidance by Eph/ephrin interactions and the promotion of RGC axon branching by NMDARs.Dans le système visuel du Xenopus laevis, des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) projettent leurs axones au tectum optique, créant une carte topographique. Les Ephs et éphrines sont des molécules de la chimioaffinitié qui guident les axones aux localisations appropriés dans le tectum. En teintant des cerveaux entiers par l'utilisation des protéines de fusion alcaline phosphatase, il a été démontré que les Ephs et les éphrines sont exprimés dans le système visuel de Xenopus laevis tout au long du développement. Les éphrines-A sont exprimés dans un gradient d'expression fort postérieur et doux antérieur. Les récepteurs EphB, quant à eux, sont exprimés tôt dans le développement dans un gradient fort dorsomédiale et doux caudolaterale, mais s'expriment de façon uniforme chez les grenouilles matures. Ce gradient de récepteurs EphB est à l'opposé de celui déjà publié, et suggère que les interactions entre les éphrines-B et les récepteurs EphB ne médiatisent peut-être pas le guidage dorsoventrale. En plus du guidage de la chimioaffinité, l'activité contribue au développement rétinotectale à travers des récepteurs N-methyl-D-aspartate (NMDARs). En utilisant l'imagerie biphotonique et l'électrophysiologie, on constate que les récepteurs NMDA sont importants pour le développement de la morphologie axonale des CGRs. Une réduction de l'expression des NMDARs dans des CGRs individuelles avec un oligonucléotide morpholino antisens a produit des axones très simples, qui suggèrent que les NMDARs contribuent à la ramification axonale. Cette contribution à la ramification n'était toutefois que partiellement dépendant sur l'influx du calcium à travers les NMDARs, suggérant que l'activation ionotropique et metabotropique des NMDARs sont également importantes. Ces récepteurs NMDARs sont exprimés sur les axones présynaptiques des CGRs: l'application du NMDA cause un influx du calcium dans des branches axonales des CRGs, alors que bloquer des NMDARs réduit la fréquence des courants postsynaptiques unitaires. Enfin, la formation de la projection retinotectale est très complexe, impliquant le guidage par des éphrines et des récepteurs Eph et la promotion de la ramification axonale des CGRs par les récepteurs NMDA