Materiaal hieronder is een samenvatting van het artikel Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics, gepubliceerd op 4 januari 2019, in eNeuro en geschreven door Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson, en Joshua A. Goldberg.
Live beeldvorming van neuronale populaties onthult vaak een achtergrondsignaal dat het signaal van individuele neuronen overspoelt. Typisch, is deze achtergrond signaal afgedaan als niet-informatieve of als een epifenomeen. Wij hebben bij vrij bewegende muizen acetylcholine-releasing (cholinerge) interneuronen in het striatum in beeld gebracht, die een cruciale rol spelen in de basale ganglia functie en disfunctie bij bewegingsstoornissen. Belangrijk is dat deze interneuronen aanleiding geven tot een overvloedig dichte neuropil van fijne neuronale processen die het striatum vullen. Onder deze omstandigheden, onze analyse bleek de achtergrond signaal dat afkomstig is van de neuropil vertegenwoordigt een “mean-field” uitlezing van de collectieve terugkerende activiteit van cholinerge interneuronen. Aldus functioneert het neuropil signaal als een fysiologische uitlezing van de netwerk toestand.
Al meer dan een halve eeuw weten clinici en wetenschappers dat een verstoring van de zogenaamde balans tussen acetylcholine en dopamine die vrijkomt in het gebied van de hersenen genaamd het striatum een centrale pathologische correlaat is van verschillende bewegingsstoornissen zoals de ziekte van Parkinson en de ziekte van Huntington. Deze onevenwichtigheid werd afgeleid uit biochemische en histologische studies van het striatum. Bewijs voor een dergelijke onevenwichtigheid in de fysiologische activiteit van hersencircuits ontbrak echter.
Pas onlangs hebben beeldvormende en moleculaire technieken ons in staat gesteld om direct te kijken naar de activiteit van dopamine en acetylcholine circuits in vrij bewegende muizen. We kunnen ons nu richten op specifieke neuronale typen, zoals cholinerge interneuronen, met genetisch gecodeerde fluorescerende markers en hun activiteit visualiseren met kleine en extreem lichte fluorescerende microendoscopen die op de hoofden van de muizen worden geplaatst. We hoopten met deze technologie de activiteit van cholinerge interneuronen te kunnen volgen en te beginnen te begrijpen hoe acetylcholine wordt vrijgegeven in het striatum van vrij bewegende muizen.
Terwijl we signalen van individuele neuronen waarnamen, wat opvallend was aan onze striatale beeldvorming in de vrij bewegende muizen was het achtergrond neuropil signaal dat hen omringt. Het leek “op te lichten” in vlagen van heldere fluorescentie die vaak veel helderder waren dan de signalen van de individuele neuronen. Bovendien was dit achtergrondsignaal zeer synchroon en gecorreleerd over grote gebieden van de striatale neuropil. Echter, het vreemdste resultaat was dat het neuropil signaal – terwijl duidelijk geassocieerd met de signalen van individuele cellichamen – zowel voorafging aan die signalen als sneller verviel dan zij deden.
Wat zou de snellere kinetiek van het neuropil signaal kunnen verklaren en waarom het voorafging aan de signalen van individuele neuronen? Bovendien, wat is de betekenis van het synchrone neuropilsignaal? Eén mogelijkheid is dat het achtergrondsignaal synaptische input vertegenwoordigt voor cholinerge interneuronen, die voorafgaat aan hun respons. Het feit dat het achtergrondsignaal ruimtelijk synchroon is, zou kunnen betekenen dat cholinerge interneuronen synchroon ingeschakeld worden door gemeenschappelijke inputs. In dit geval kan de neuropil signaal worden beschouwd als een feed-forward signaal. Als alternatief kan de achtergrond signaal vertegenwoordigen de som-totaal van actiepotentialen uitgezonden door een netwerk van cholinerge interneuronen. Deze actiepotentialen vermoedelijk verspreid over de hele neuropil. In dit geval moet de neuropil signaal worden beschouwd als een feedback of terugkerende cholinerge netwerk signaal.
Door het combineren van geavanceerde beeldvorming en optogenetische technieken waren we in staat om aan te tonen dat, hoewel de neuropil signaal voorafgaat aan de signalen van individuele neuronen, is het niet de input te vertegenwoordigen. Integendeel, het vertegenwoordigt een populatie gemiddelde van de gelijktijdige activering van vele cholinerge interneuronen, waarvan de meeste cellichamen buiten het gezichtsveld van de microendoscoop gelegen (bijvoorbeeld in diepere regio’s van het striatum). Hun neurale activiteit kan worden waargenomen in het gezichtsveld, echter, omdat wanneer actiepotentialen worden geactiveerd in de buurt van hun cellichamen, ze reizen langs de axon en langs dendrieten, in een proces genaamd back-propagatie. Het proces is zo genoemd omdat de richting gaat schijnbaar “tegen” de normale stroom van informatie in het neuron, die wordt verondersteld te gaan van dendrieten naar axon, niet vice versa.
Omdat de dendritische en axonale arbors van cholinerge interneuronen die de cholinerge neuropil vormen uitzonderlijk dicht en volume-vullend zijn, dragen actiepotentialen uit het hele striatum bij aan het achtergrondsignaal waargenomen in het gezichtsveld. De snellere kinetiek van de neuropil signaal is te wijten aan neuronale biofysica dicteren dat signalen sneller stijgen en dalen in kleinere diameter neuronale processen.
Als de neuropil signaal vertegenwoordigt een gemiddelde populatie activiteit, zou men dan niet verwachten om de cellichaam signalen voorafgaand aan het gemiddelde signaal in de helft van de gevallen te vinden? Het antwoord is nee. Het neuropil signaal vertegenwoordigt een proces van neuronale rekrutering, dus het is onwaarschijnlijk dat de neuronen in het gezichtsveld behoren tot de eerste gerekruteerd. Bovendien, gezien het feit dat we afgebeeld oppervlakkige lagen van het striatum, en de werving van cholinerge interneuronen waarschijnlijk afkomstig uit de diepere regio’s van het striatum, oppervlakkige interneuronen worden naar verwachting pas later gerekruteerd.
De “gemiddelde-veld” aard van de neuropil signaal doet denken aan andere bekende fysiologische uitlezingen van de bevolking activiteit, zoals de lokale veldpotentiaal (LFP), die ook beroemd is synchroon over grote afstanden in de hersenen. Een van de opwindende dynamische eigenschappen van LFP-signalen is dat is aangetoond dat ze aanleiding geven tot reizende golven van activering. Wij bestuderen momenteel het neuropil signaal om te zien of het ook dergelijke georganiseerde spatiotemporele structuren in de activering van cholinerge interneuronen onthult, met name in het licht van onze hypothese dat de rekrutering van cholinerge interneuronen begint in diepere regio’s van het striatum en zich van daaruit verspreidt.
Hoewel we de bron van het cholinerge neuropil signaal hebben onthuld, blijft de vraag nog steeds: Hoe weten we dat het neuropil signaal iets meer is dan een epifenomeen? Toekomstige studies zullen bepalen hoe het cholinerge neuropil signaal op een zinvolle manier correspondeert met aangeboren of aangeleerde, motorische of associatieve gedragingen van de muis. Bovendien zou een dergelijke robuuste uitlezing van striatale cholinerge activiteit (mogelijk gekoppeld aan een vergelijkbare robuuste uitlezing van striatale dopaminerge activiteit) op een dag misschien kunnen dienen als een biomarker voor het kwantificeren van de beroemde dopamine-acetylcholine onevenwichtigheid bij bewegingsstoornissen.
Bezoek eNeuro om het originele artikel te lezen en andere inhoud te verkennen. Lees andere samenvattingen van JNeurosci en eNeuro papers in de Neuronline collectie SfN Journals: Samenvattingen van onderzoeksartikelen.
Activiteitspatronen in de Neuropil van Striatale Cholinerge Interneuronen in Vrij Bewegende Muizen Representeren Hun Collectieve Spiking Dynamiek. 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
Over de auteur
