The Role of Visual Experience in the Maturation of Synaptic and Dendritic Mechanisms for Direction Selectivity

University Of California Berkeley, Berkeley CA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

-­ Project Summary -­       The goal of this proposal is to determine the role of activity in the development of the circuits that  mediate direction selectivity in the retina. Direction selective ganglion cells (DSGCs) fire many action potentials  in response to light stimuli moving in a preferred direction and few action potentials to light moving in the  opposite, or null, direction. Our lab has used population calcium imaging of DSGCs, whose preferred directions  tightly cluster around the four cardinal axes of visual space, to show that depriving animals of visual experience  reduces the clustering of preferred directions. Dark-­reared adult DSGCs were instead broadly distributed in  their preferred directions, similar to DSGCs tuning observed at eye opening. However, the mechanism by  which dark-­rearing prevents clustering remains unknown. This prompts an investigation of the role of visual  experience in the maturation of mechanisms for the direction-­selective computation.  There  are  two  important  circuit  elements  for  direction  selectivity.  First,  asymmetric  release  of  gamma-­ aminobutyric acid (GABA) from starburst amacrine cells dendrites confers direction selective tuning to DSGCs  through  asymmetric  synaptic  wiring.  Second,  DGSC  dendrites  integrate  inputs  in  a  directional  manner.  This  second  mechanism  is  revealed  in  a  subtype  of  DSGC,  the  ventral-­preferring  DSGCs,  which  exhibit  inhibitory-­ independent directional tuning, speculated to arise from their asymmetric dendrites.   In  this  proposal,  I  explore  the  contribution  of  synaptic  and  dendritic  mechanisms  to  directional  tuning  across  development.  I  focus  on  these  ventral-­preferring  DSGCs  to  dissect  the  relative  contributions  of  asymmetric  inhibition  and  asymmetric  dendrites  to  directional  tuning  during  development.  Asymmetric  inhibitory input from starburst amacrine cells has been shown to establish directional tuning in DSGCs around  the time of eye-­opening, by forming more synapses on the null side. As a first step towards understanding the  contribution  of  synaptic  mechanisms  for  establishing  directional  tuning,  in  Aim  1,  I  will  use  electrophysiology,  pharmacology  and  cellular  reconstructions  to  examine  the  contribution  of  inhibitory  input  on  directional  tuning  during development (Aim 1.1, 1.2). Next, I will test whether activity, mediated by asymmetric inhibitory input, is  necessary  for  establishing  directional  tuning  and  asymmetric  dendrites  in  a  mouse  model  where  that  lacks  functional  GABA  release  in  SACs  (Aim  1.3).  To  understand  the  contribution  of  asymmetric  dendrites  to  inhibitory-­independent  tuning  of  DSGCs,  in  Aim  2,  I  propose  to  use  simultaneous  2-­photon  calcium  imaging  and  visual  stimulation  of  dendrites.  I  ask whether  active  conductances  in  the  dendrites  of  DSGCs  exist,  and  if  so,  I  propose  to  use  localized  pharmacological  manipulations  uncover  the  ion  channels  mediating  these  nonlinear  conductances,  across  development.  Lastly,  in  Aim  3,  I  propose  to  rear  animals  in  the  dark  to  examine  how  activity,  mediated  by  visual  experience,  alters  both  the  synaptic  physiology  and  dendritic  computation  of  directional  selectivity.  These  findings  will  provide  key  insights  into  how  early  signaling  in  the  retina contributes to development of functional neural circuits.