Az alábbi anyag az eNeuro-ban 2019. január 4-én megjelent Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics című cikket foglalja össze, amelynek szerzői: Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson és Joshua A. Goldberg.
A neuronpopulációk élő képalkotása gyakran olyan háttérjelet mutat, amely elnyeli az egyes neuronok jelét. Jellemzően ezt a háttérjelet informatívnak vagy epifenoménnek tekintik. Szabadon mozgó egerekben a striatumban lévő acetilkolin-felszabadító (kolinerg) interneuronokat képeztünk le, amelyek kritikus szerepet játszanak a bazális ganglionok működésében és a mozgászavarokban jelentkező diszfunkcióban. Fontos, hogy ezek az interneuronok a striatumot kitöltő, finom neuronális folyamatokból álló, bőségesen sűrű neuropilet hoznak létre. Ilyen körülmények között elemzésünk kimutatta, hogy a neuropilből származó háttérjel a kolinerg interneuronok kollektív ismétlődő aktivitásának “középmező” leolvasását jelenti. Így a neuropil jel a hálózati állapot fiziológiai leolvasásaként működik.
A klinikusok és a tudósok már több mint fél évszázada tudják, hogy az agy striatumnak nevezett régiójában felszabaduló acetilkolin és dopamin közötti úgynevezett egyensúly felborulása a különböző mozgászavarok, például a Parkinson-kór és a Huntington-kór központi patológiai korrelátuma. Erre az egyensúlyhiányra a striatum biokémiai és szövettani vizsgálataiból következtettek. Az agyi áramkörök fiziológiai aktivitásában azonban eddig nem volt bizonyíték az ilyen egyensúlyhiányra.
A képalkotó és molekuláris technikák csak a közelmúltban tették lehetővé, hogy szabadon mozgó egerekben közvetlenül megnézzük a dopamin- és acetilkolin-áramkörök aktivitását. Ma már specifikus neuron-típusokat, például kolinerg interneuronokat célozhatunk meg genetikailag kódolt fluoreszcens markerekkel, és aktivitásukat az egerek fejére helyezett apró és rendkívül könnyű fluoreszcens mikroendoszkópokkal vizualizálhatjuk. Azt reméltük, hogy ezzel a technológiával nyomon követhetjük a kolinerg interneuronok aktivitását, és elkezdhetjük megérteni, hogyan szabadul fel az acetilkolin a szabadon mozgó egerek striatumában.
Míg megfigyeltük az egyes neuronok jeleit, ami feltűnő volt a szabadon mozgó egerek striatumának képalkotásában, az az őket körülvevő neuropil háttérjel volt. Úgy tűnt, hogy fényes fluoreszcencia-rohamokban “világít”, amelyek gyakran sokkal fényesebbek voltak, mint az egyes neuronokból származó jelek. Ráadásul ez a háttérjel erősen szinkron és korrelált volt a striatális neuropil nagy régióiban. A messze legfurcsább eredmény azonban az volt, hogy a neuropil jel – miközben egyértelműen összefüggött az egyes sejttestekből származó jelekkel – egyrészt megelőzte azokat, másrészt gyorsabban hanyatlott, mint azok.
Mivel magyarázható a neuropil jel gyorsabb kinetikája, és az, hogy miért előzte meg az egyes neuronokból származó jeleket? Továbbá, mit jelent a szinkron neuropil jel? Az egyik lehetőség, hogy a háttérjel a kolinerg interneuronok szinaptikus bemenetét jelenti, amely megelőzi a válaszukat. Az a tény, hogy a háttérjel térben szinkron, azt jelentheti, hogy a kolinerg interneuronokat szinkronban kapcsolják be a közös bemeneti jelek. Ebben az esetben a neuropil jelet feed-forward jelnek tekinthetjük. Alternatívaként a háttérjel a kolinerg interneuronok hálózata által kibocsátott akciós potenciálok összegét is jelentheti. Ezek az akciós potenciálok feltehetően az egész neuropilben terjednek. Ebben az esetben a neuropil jelet visszacsatolt vagy rekurrens kolinerg hálózati jelnek kell tekinteni.
A fejlett képalkotó és optogenetikai technikák kombinálásával sikerült megmutatnunk, hogy bár a neuropil jel megelőzi az egyes neuronokból érkező jeleket, nem képviseli a bemenetet. Inkább sok kolinerg interneuron egyidejű aktiválódásának populációs átlagát képviseli, amelyek többségének sejttestjei a mikroendoszkóp látómezején kívül helyezkednek el (pl. a striatum mélyebb régióiban). Idegi aktivitásuk azonban megfigyelhető a látómezőben, mert amikor az akciós potenciálok a sejttestük közelében aktiválódnak, a visszaterjedésnek nevezett folyamat során az axon és a dendritek mentén is terjednek. A folyamat azért kapta ezt a nevet, mert az irány látszólag “ellentétes” a neuronban zajló normális információáramlással, amelynek a dendritektől az axon felé kellene haladnia, nem pedig fordítva.
Mivel a kolinerg neuropilust alkotó kolinerg interneuronok dendritikus és axonális ágai kivételesen sűrűek és térkitöltőek, a striatum egészéből származó akciós potenciálok hozzájárulnak a látómezőben megfigyelhető háttérjelhez. A neuropil jel gyorsabb kinetikája a neuronális biofizikának köszönhető, amely azt diktálja, hogy a kisebb átmérőjű neuronális folyamatokban a jelek gyorsabban emelkednek és hanyatlanak.
Ha a neuropil jel egy átlagos populációs aktivitást képvisel, nem azt várnánk, hogy a sejttest jelek az esetek felében megelőzik az átlagos jelet? A válasz nem. A neuropil jel a neuronok toborzásának folyamatát reprezentálja, így nem valószínű, hogy a látómezőben lévő neuronok az elsők között rekrutálódnak. Továbbá, mivel a striatum felszíni rétegeit képeztük le, és a kolinerg interneuronok toborzása valószínűleg a striatum mélyebb régióiból származik, a felszíni interneuronok várhatóan csak később toborzódnak.
A neuropil jel “átlagmező” jellege emlékeztet a populációs aktivitás más jól ismert fiziológiai leolvasására, mint például a helyi mezőpotenciál (LFP), amely szintén közismerten nagy távolságokon keresztül szinkron az agyban. Az LFP jelek egyik izgalmas dinamikai jellemzője, hogy kimutatták, hogy az aktiváció utazó hullámokat eredményez. Jelenleg a neuropil jelet vizsgáljuk, hogy kiderítsük, vajon az is ilyen szervezett tér-időbeli struktúrákat mutat-e a kolinerg interneuronok aktivációjában, különösen annak a hipotézisünknek a fényében, hogy a kolinerg interneuronok toborzása a striatum mélyebb régióiban kezdődik, és onnan terjed tovább.
A kolinerg neuropil jel forrásának feltárása után a kérdés még mindig fennáll: Honnan tudjuk, hogy a neuropil jel több mint epifenomén? A jövőbeni vizsgálatok fogják meghatározni, hogy a kolinerg neuropil jel hogyan felel meg értelmes módon az egér veleszületett vagy tanult, motoros vagy asszociatív viselkedésének. Sőt, a striatális kolinerg aktivitás ilyen robusztus leolvasása (esetleg a striatális dopaminerg aktivitás hasonlóan robusztus leolvasásával párosítva) talán egy nap biomarkerként szolgálhat a mozgászavarok híres dopamin-acetil-kolin egyensúlyhiányának számszerűsítésére.
Látogasson el az eNeuro-ra az eredeti cikk elolvasásához és más tartalmak felfedezéséhez. Olvassa el a JNeurosci és az eNeuro cikkeinek további összefoglalóit a Neuronline SfN Journals gyűjteményében: Kutatási cikkek összefoglalói.
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, and Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019, 6 (1) ENEURO.0351-18.2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
A szerzőről
