Alla olevassa aineistossa on tiivistelmä artikkelista Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics, joka on julkaistu 4. tammikuuta 2019 eNeuro-lehdessä ja jonka ovat kirjoittaneet Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson ja Joshua A. Goldberg.
Hermosolupopulaatioiden elävä kuvantaminen paljastaa usein taustasignaalin, joka nielaisee yksittäisten neuronien signaalin. Tyypillisesti tämä taustasignaali hylätään epäinformatiivisena tai epifenomenona. Kuvasimme vapaasti liikkuvilla hiirillä striatumissa olevat asetyylikoliinia vapauttavat (kolinergiset) interneuronit, joilla on kriittinen rooli basaaliganglioiden toiminnassa ja toimintahäiriöissä liikehäiriöissä. Tärkeää on, että nämä interneuronit synnyttävät runsaasti tiheän neuropilin, joka koostuu hienoista hermosoluprosesseista, jotka täyttävät striatumin. Näissä olosuhteissa analyysimme paljasti, että neuropilistä peräisin oleva taustasignaali edustaa ”keskikentän” lukemaa kolinergisten interneuronien kollektiivisesta toistuvasta aktiivisuudesta. Siten neuropil-signaali toimii fysiologisena lukemana verkon tilasta.
Yli puolen vuosisadan ajan kliinikot ja tiedemiehet ovat tienneet, että striatumiksi kutsutulla aivoalueella vapautuvan asetyylikoliinin ja dopamiinin välisen niin sanotun tasapainon häiriintyminen on keskeinen patologinen korrelaatti erilaisissa liikehäiriöissä, kuten Parkinsonin taudissa ja Huntingtonin taudissa. Tämä epätasapaino on päätelty striatumin biokemiallisista ja histologisista tutkimuksista. Todisteet tällaisesta epätasapainosta aivopiirien fysiologisessa toiminnassa ovat kuitenkin puuttuneet.
Vasta viime aikoina kuvantamis- ja molekulaaritekniikat ovat antaneet meille mahdollisuuden tarkastella suoraan dopamiini- ja asetyylikoliinipiirien toimintaa vapaasti liikkuvissa hiirissä. Voimme nyt kohdistaa tiettyihin hermosolutyyppeihin, kuten kolinergisiin interneuroneihin, geneettisesti koodattuja fluoresoivia merkkiaineita ja visualisoida niiden toimintaa hiirten päähän sijoitetuilla pienillä ja erittäin kevyillä fluoresoivilla mikroendoskoopeilla. Toivoimme, että voisimme tämän tekniikan avulla seurata kolinergisten interneuronien aktiivisuutta ja alkaa ymmärtää, miten asetyylikoliinia vapautuu vapaasti liikkuvien hiirten striatumissa.
Havaitsimme yksittäisten neuronien signaaleja, mutta silmiinpistävää vapaasti liikkuvien hiirten striatumin kuvantamisessa oli niitä ympäröivä taustan neuropilin signaali. Se näytti ”syttyvän” kirkkaan fluoresenssin jaksoissa, jotka olivat usein paljon kirkkaampia kuin yksittäisten neuronien signaalit. Lisäksi tämä taustasignaali oli erittäin synkroninen ja korreloitunut laajoilla alueilla striatumin neuropilissä. Ylivoimaisesti oudoin tulos oli kuitenkin se, että neuropilin signaali – vaikka se oli selvästi yhteydessä yksittäisten solurunkojen signaaleihin – sekä edelsi näitä signaaleja että hajosi niitä nopeammin.
Millä selitettäisiin neuropilin signaalin nopeampi kinetiikka ja se, miksi se edelsi yksittäisten neuronien signaaleja? Lisäksi, mikä on synkronisen neuropil-signaalin merkitys? Yksi mahdollisuus on, että taustasignaali edustaa kolinergisten interneuronien synaptista syötettä, joka edeltää niiden vastetta. Se, että taustasignaali on spatiaalisesti synkroninen, saattaa merkitä sitä, että kolinergiset interneuronit kytkeytyvät synkronisesti yhteisten syötteiden jaksoihin. Tässä tapauksessa neuropil-signaalia voitaisiin pitää feed-forward-signaalina. Vaihtoehtoisesti taustasignaali voisi edustaa kolinergisten interneuronien verkoston lähettämien toimintapotentiaalien summaa. Nämä toimintapotentiaalit leviävät oletettavasti koko neuropilin alueelle. Tässä tapauksessa neuropilin signaalia olisi pidettävä takaisinkytkentäisenä tai toistuvana kolinergisen verkon signaalina.
Yhdistämällä kehittyneitä kuvantamis- ja optogeneettisiä tekniikoita pystyimme osoittamaan, että vaikka neuropilin signaali edeltää yksittäisten neuronien signaaleja, se ei edusta syötettä. Pikemminkin se edustaa populaation keskiarvoa monien kolinergisten interneuronien samanaikaisesta aktivoitumisesta, joista suurimmalla osalla on solurungot, jotka sijaitsevat mikroendoskoopin näkökentän ulkopuolella (esim. striatumin syvemmillä alueilla). Niiden hermostollinen aktiivisuus voidaan kuitenkin havaita näkökentässä, koska kun toimintapotentiaalit laukeavat niiden solurunkojen läheisyydessä, ne kulkeutuvat aksonia ja dendriittejä pitkin prosessissa, jota kutsutaan takaisinkulkeutumiseksi. Prosessi on saanut nimensä siksi, että suunta kulkee näennäisesti ”vastoin” hermosolun normaalia informaatiovirtaa, jonka oletetaan kulkevan dendriiteistä aksoniin, ei päinvastoin.
Koska kolinergisen neuropilin muodostavat kolinergisten interneuronien dendriittiset ja aksonaaliset arborit ovat poikkeuksellisen tiheitä ja tilavuuden täyttäviä, toimintapotentiaalit kaikkialta striatumista myötävaikuttavat näkökentässä havaittavaan taustasignaaliin. Neuropil-signaalin nopeampi kinetiikka johtuu neuronien biofysiikasta, joka sanelee, että signaalit nousevat ja laskevat nopeammin halkaisijaltaan pienemmissä neuroniprosesseissa.
Jos neuropil-signaali edustaa populaation keskimääräistä aktiivisuutta, eikö olisi odotettavissa, että solurungon signaalit edeltävät keskimääräistä signaalia puolessa tapauksista? Vastaus on ei. Neuropil-signaali edustaa neuronien rekrytointiprosessia, joten on epätodennäköistä, että näkökentässä olevat neuronit ovat ensimmäisten rekrytoitujen joukossa. Lisäksi, kun otetaan huomioon, että kuvasimme striatumin pinnallisia kerroksia, ja kolinergisten interneuronien rekrytointi on todennäköisesti peräisin striatumin syvemmiltä alueilta, pinnallisten interneuronien odotetaan rekrytoituvan vasta myöhemmin.
Neuropil-signaalin ”keskikenttä”-luonne muistuttaa muita tunnettuja populaatioaktiivisuuden fysiologisia lukemia, kuten paikallista kenttäpotentiaalia (Local Field Potential, LFP), joka on tunnetusti synkronisoitunut suurilla etäisyyksillä aivoissamme. Yksi LFP-signaalien jännittävistä dynaamisista piirteistä on se, että sen on osoitettu synnyttävän aktivoitumisen vaeltavia aaltoja. Tutkimme parhaillaan neuropil-signaalia nähdaksemme, paljastaako myös se tällaisia järjestäytyneitä spatiotemporaalisia rakenteita kolinergisten interneuronien aktivaatiossa, erityisesti hypoteesimme valossa, jonka mukaan kolinergisten interneuronien rekrytointi alkaa striatumin syvemmiltä alueilta ja leviää sieltä.
Ja kun kolinergisen neuropil-signaalin lähde on saatu selville, jäljellä on vielä kysymys: Mistä tiedämme, että neuropil-signaali on jotain muuta kuin epifenomenon? Tulevissa tutkimuksissa selvitetään, miten kolinerginen neuropil-signaali vastaa merkityksellisellä tavalla hiiren synnynnäistä tai opittua, motorista tai assosiatiivista käyttäytymistä. Lisäksi tällainen vankka striatumin kolinergisen aktiivisuuden lukema (mahdollisesti yhdistettynä johonkin vastaavaan vankkaan striatumin dopaminergisen aktiivisuuden lukemaan) voisi ehkä jonain päivänä toimia biomarkkerina liikehäiriöiden kuuluisan dopamiiniasetyylikoliinin epätasapainon kvantifioimiseksi.
Käy eNeurossa lukemassa alkuperäinen artikkeli ja tutustumassa muuhun sisältöön. Lue muita tiivistelmiä JNeurosci- ja eNeuro-artikkeleista Neuronline-kokoelmasta SfN Journals: Research Article Summaries.
Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics. Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson ja Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019, 6 (1) ENEURO.0351-18..2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
Tekijästä
