Níže uvedený materiál shrnuje článek Activity Patterns in the Neuropil of the Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics, publikovaný 4. ledna 2019 v časopise eNeuro, jehož autory jsou Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson a Joshua A. Goldberg.
Živé zobrazování neuronálních populací často odhaluje signál pozadí, který pohlcuje signál z jednotlivých neuronů. Obvykle se tento signál na pozadí odmítá jako neinformativní nebo jako epifenomén. U volně se pohybujících myší jsme zobrazovali interneurony uvolňující acetylcholin (cholinergní) ve striatu, které hrají kritickou roli ve funkci bazálních ganglií a dysfunkci u pohybových poruch. Důležité je, že tyto interneurony dávají vzniknout hojně hustému neuropilu jemných neuronálních procesů, které vyplňují striatum. Za těchto okolností naše analýza odhalila, že signál pozadí vycházející z neuropilu představuje „střední pole“ kolektivní rekurentní aktivity cholinergních interneuronů. Signál neuropilu tedy funguje jako fyziologický odečet stavu sítě.
Již více než půl století je klinikům a vědcům známo, že narušení tzv. rovnováhy mezi acetylcholinem a dopaminem uvolňovaným v oblasti mozku zvané striatum je ústředním patologickým korelátem různých pohybových poruch, jako je Parkinsonova choroba a Huntingtonova choroba. Tato nerovnováha byla odvozena z biochemických a histologických studií striata. Důkazy o takové nerovnováze ve fyziologické aktivitě mozkových okruhů však dosud chyběly.
Teprve nedávno nám zobrazovací a molekulární techniky umožnily nahlédnout přímo do aktivity dopaminových a acetylcholinových okruhů u volně se pohybujících myší. Nyní můžeme zaměřit specifické typy neuronů, jako jsou cholinergní interneurony, pomocí geneticky kódovaných fluorescenčních markerů a vizualizovat jejich aktivitu pomocí malých a extrémně lehkých fluorescenčních mikroendoskopů umístěných na hlavách myší. Doufali jsme, že díky této technologii budeme moci sledovat aktivitu cholinergních interneuronů a začít chápat, jak se ve striatu volně se pohybujících myší uvolňuje acetylcholin.
Přestože jsme pozorovali signály z jednotlivých neuronů, na našem zobrazování striata u volně se pohybujících myší byl nápadný signál neuropilu na pozadí, který je obklopuje. Zdálo se, že se „rozsvěcuje“ v záchvěvech jasné fluorescence, které byly často mnohem jasnější než signály z jednotlivých neuronů. Tento signál na pozadí byl navíc vysoce synchronní a korelovaný ve velkých oblastech striatálního neuropilu. Zdaleka nejpodivnějším výsledkem však bylo, že signál neuropilu – ačkoli jasně souvisel se signály z jednotlivých buněčných těl – těmto signálům jednak předcházel, jednak zanikal rychleji než ony.
Co by mohlo vysvětlit rychlejší kinetiku signálu neuropilu a proč předcházel signálům z jednotlivých neuronů? Navíc, jaký význam má synchronní neuropilový signál? Jednou z možností je, že signál na pozadí představuje synaptický vstup do cholinergních interneuronů, který předchází jejich odpovědi. Skutečnost, že signál pozadí je prostorově synchronní, by mohla znamenat, že cholinergní interneurony jsou synchronně zapojovány záchvěvy společného vstupu. V takovém případě by se signál neuropilu mohl považovat za zpětnovazební signál. Alternativně by signál na pozadí mohl představovat součet akčních potenciálů emitovaných sítí cholinergních interneuronů. Tyto akční potenciály se pravděpodobně šíří po celém neuropilu. V tomto případě by se signál neuropilu měl považovat za zpětnovazební nebo rekurentní signál cholinergní sítě.
Kombinací pokročilých zobrazovacích a optogenetických technik se nám podařilo prokázat, že ačkoli signál neuropilu předchází signálům z jednotlivých neuronů, nepředstavuje vstup. Spíše představuje populační průměr současné aktivace mnoha cholinergních interneuronů, z nichž většina má buněčná těla umístěná mimo zorné pole mikroendoskopu (např. v hlubších oblastech striata). Jejich nervovou aktivitu však lze pozorovat v zorném poli, protože když se v blízkosti jejich buněčných těl spustí akční potenciály, šíří se podél axonu i dendritů v procesu zvaném zpětné šíření. Tento proces se tak jmenuje proto, že jeho směr jde zdánlivě „proti“ normálnímu toku informací v neuronu, který má jít od dendritů k axonu, nikoli naopak.
Protože dendritické a axonální výběžky cholinergních interneuronů, které tvoří cholinergní neuropil, jsou mimořádně husté a vyplňují objem, akční potenciály z celého striata přispívají k signálu pozadí pozorovanému v zorném poli. Rychlejší kinetika signálu neuropilu je způsobena biofyzikou neuronů, která diktuje, že signály vznikají a zanikají rychleji v neuronálních výběžcích s menším průměrem.
Pokud signál neuropilu představuje průměrnou aktivitu populace, nedalo by se očekávat, že signály buněčných těl budou v polovině případů předcházet průměrnému signálu? Odpověď zní ne. Signál neuropilu představuje proces náboru neuronů, takže je nepravděpodobné, že by neurony v zorném poli byly mezi prvními rekrutovanými. Navíc vzhledem k tomu, že jsme snímali povrchové vrstvy striata a nábor cholinergních interneuronů s největší pravděpodobností pochází z hlubších oblastí striata, lze očekávat, že povrchové interneurony budou rekrutovány až později.
„Středněpolní“ povaha signálu neuropilu připomíná jiné známé fyziologické údaje o populační aktivitě, jako je lokální polní potenciál (LFP), který je rovněž známý synchronní na velké vzdálenosti v mozku. Jednou ze zajímavých dynamických vlastností signálů LFP je, že se ukázalo, že dávají vzniknout putujícím vlnám aktivace. V současné době studujeme neuropilový signál, abychom zjistili, zda i on odhaluje takto organizované časoprostorové struktury v aktivaci cholinergních interneuronů, zejména ve světle naší hypotézy, že nábor cholinergních interneuronů začíná v hlubších oblastech striata a odtud se šíří dál.
Po odhalení zdroje cholinergního neuropilového signálu zůstává otázka: Jak víme, že neuropilový signál je něco víc než jen epifenomén? Budoucí studie určí, jak cholinergní neuropilový signál smysluplně koresponduje s vrozeným nebo naučeným, motorickým nebo asociativním chováním myší. Navíc by takový robustní odečet striatální cholinergní aktivity (případně doplněný o nějaký srovnatelný robustní odečet striatální dopaminergní aktivity) mohl jednoho dne možná sloužit jako biomarker pro kvantifikaci známé dopamin-acetylcholinové nerovnováhy u pohybových poruch.
Navštivte eNeuro a přečtěte si původní článek a prozkoumejte další obsah. Přečtěte si další souhrny článků JNeurosci a eNeuro v kolekci Neuronline SfN Journals: Souhrny výzkumných článků.
Vzorce aktivity v neuropilu striatálních cholinergních interneuronů u volně se pohybujících myší reprezentují jejich kolektivní dynamiku spikování. Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson a Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019, 6 (1) ENEURO.0351-18.2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
O autorovi
