Materiał poniżej podsumowuje artykuł Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics, opublikowany 4 stycznia 2019 r., w eNeuro i autorstwa Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson, and Joshua A. Goldberg.
Żywe obrazowanie populacji neuronów często ujawnia sygnał tła, który pochłania sygnał z poszczególnych neuronów. Zazwyczaj ten sygnał tła jest odrzucany jako nieinformatywny lub jako epifenomenon. Obrazowaliśmy u swobodnie poruszających się myszy interneurony uwalniające acetylocholinę (cholinergiczne) w striatum, które odgrywają kluczową rolę w funkcji zwojów podstawy i dysfunkcji w zaburzeniach ruchowych. Co ważne, interneurony te dają początek obficie gęstej neuropilce drobnych procesów neuronalnych, które wypełniają striatum. W tych okolicznościach, nasza analiza ujawniła, że sygnał tła pochodzący z neuropilu reprezentuje „średniopolowy” odczyt zbiorowej powtarzalnej aktywności interneuronów cholinergicznych. W ten sposób sygnał neuropilu funkcjonuje jako fizjologiczny odczyt stanu sieci.
Od ponad pół wieku klinicyści i naukowcy wiedzą, że zaburzenie tzw. równowagi między acetylocholiną i dopaminą uwalnianą w regionie mózgu zwanym striatum jest centralnym patologicznym korelatem różnych zaburzeń ruchowych, takich jak choroba Parkinsona i choroba Huntingtona. Ta nierównowaga została wydedukowana z biochemicznych i histologicznych badań striatum. Jednak dowody na taką nierównowagę w fizjologicznej aktywności obwodów mózgu brakowało.
Tylko ostatnio obrazowanie i molekularne techniki pozwoliły nam spojrzeć bezpośrednio na aktywność obwodów dopaminy i acetylocholiny w swobodnie poruszających się myszy. Możemy teraz celować w konkretne typy neuronów, takie jak interneurony cholinergiczne, z genetycznie zakodowanymi znacznikami fluorescencyjnymi i wizualizować ich aktywność za pomocą maleńkich i niezwykle lekkich mikroendoskopów fluorescencyjnych umieszczonych na głowach myszy. Mieliśmy nadzieję, że dzięki tej technologii będziemy mogli monitorować aktywność interneuronów cholinergicznych i zacząć rozumieć, jak acetylocholina jest uwalniana w striatum swobodnie poruszających się myszy.
Choć obserwowaliśmy sygnały z poszczególnych neuronów, to co było uderzające w naszym obrazowaniu striatum u swobodnie poruszających się myszy, to sygnał neuropilu tła, który je otacza. Wydawało się, że „świeci się” w okresach jasnej fluorescencji, które często były znacznie jaśniejsze niż sygnały z poszczególnych neuronów. Co więcej, ten sygnał tła był wysoce synchroniczny i skorelowany w dużych obszarach neuropilu striatalnego. Jednak najdziwniejszym wynikiem było to, że sygnał neuropilu – podczas gdy wyraźnie związany z sygnałami z poszczególnych ciał komórkowych – zarówno poprzedzał te sygnały, jak i zanikał szybciej niż one.
Co mogłoby wyjaśnić szybszą kinetykę sygnału neuropilu i dlaczego poprzedzał on sygnały z poszczególnych neuronów? Co więcej, jakie jest znaczenie synchronicznego sygnału neuropilu? Jedną z możliwości jest to, że sygnał tła reprezentuje synaptyczne wejście do interneuronów cholinergicznych, które poprzedza ich odpowiedź. Fakt, że sygnał tła jest przestrzennie synchroniczny może oznaczać, że interneurony cholinergiczne są angażowane synchronicznie przez uderzenia wspólnego wejścia. W tym przypadku sygnał z neuropilu można uznać za sygnał typu feed-forward. Alternatywnie, sygnał tła może reprezentować sumę potencjałów czynnościowych emitowanych przez sieć interneuronów cholinergicznych. Te potencjały czynnościowe przypuszczalnie rozprzestrzeniają się w całym neuropilu. W tym przypadku sygnał neuropilu powinien być uważany za zwrotny lub rekurencyjny sygnał sieci cholinergicznej.
Poprzez połączenie zaawansowanych technik obrazowania i optogenetyki byliśmy w stanie wykazać, że chociaż sygnał neuropilu poprzedza sygnały z poszczególnych neuronów, nie reprezentuje on wejścia. Reprezentuje on raczej średnią populacyjną jednoczesnej aktywacji wielu interneuronów cholinergicznych, z których większość ma ciała komórkowe zlokalizowane poza polem widzenia mikroendoskopu (np. w głębszych regionach striatum). Ich aktywność neuronalna może być jednak obserwowana w polu widzenia, ponieważ gdy potencjały czynnościowe są wyzwalane w pobliżu ich ciał komórkowych, przemieszczają się one wzdłuż aksonu, jak również wzdłuż dendrytów, w procesie zwanym wsteczną propagacją. Proces ten jest tak nazwany, ponieważ kierunek idzie pozornie „przeciw” normalnemu przepływowi informacji w neuronie, który ma iść od dendrytów do aksonu, a nie odwrotnie.
Ponieważ dendrytyczne i aksonalne arbory interneuronów cholinergicznych, które tworzą neuropil cholinergiczny są wyjątkowo gęste i wypełniające objętość, potencjały czynnościowe z całego striatum przyczyniają się do sygnału tła obserwowanego w polu widzenia. Szybsza kinetyka sygnału neuropilu wynika z biofizyki neuronów dyktującej, że sygnały wzrastają i zanikają szybciej w procesach neuronalnych o mniejszej średnicy.
Jeśli sygnał neuropilu reprezentuje średnią aktywność populacji, czy nie należałoby się spodziewać, że sygnały z ciała komórki poprzedzają średni sygnał w połowie przypadków? Odpowiedź jest nie. Sygnał neuropil reprezentuje proces rekrutacji neuronów, więc jest mało prawdopodobne, że neurony w polu widzenia są wśród pierwszych zrekrutowanych. Ponadto, biorąc pod uwagę, że obrazowaliśmy powierzchowne warstwy striatum, a rekrutacja cholinergicznych interneuronów najprawdopodobniej pochodzi z głębszych regionów striatum, oczekuje się, że powierzchowne interneurony zostaną zrekrutowane dopiero później.
Natura „średniego pola” sygnału neuropil przypomina inne dobrze znane fizjologiczne odczyty aktywności populacji, takie jak lokalny potencjał pola (LFP), który jest również słynny synchroniczny na dużych odległościach w mózgu. Jedną z ekscytujących cech dynamiki sygnałów LFP jest to, że jak wykazano, może ona prowadzić do powstania wędrujących fal aktywacji. Obecnie badamy sygnał neuropil, aby zobaczyć, czy on również ujawnia takie zorganizowane struktury przestrzenno-czasowe w aktywacji interneuronów cholinergicznych, szczególnie w świetle naszej hipotezy, że rekrutacja interneuronów cholinergicznych zaczyna się w głębszych regionach striatum i rozprzestrzenia się stamtąd.
Po ujawnieniu źródła cholinergicznego sygnału neuropil, pytanie nadal pozostaje: Skąd wiemy, że sygnał neuropil jest czymś więcej niż epifenomenem? Przyszłe badania określą, w jaki sposób cholinergiczny sygnał neuropilu odpowiada w znaczący sposób wrodzonym lub wyuczonym, motorycznym lub asocjacyjnym zachowaniom myszy. Co więcej, taki solidny odczyt aktywności cholinergicznej striatalnej (być może dopasowany do jakiegoś porównywalnego solidnego odczytu aktywności dopaminergicznej striatalnej) mógłby być może pewnego dnia służyć jako biomarker do ilościowego określenia słynnej nierównowagi dopaminy i acetylocholiny w zaburzeniach ruchowych.
Odwiedź eNeuro, aby przeczytać oryginalny artykuł i odkryć inne treści. Przeczytaj inne streszczenia artykułów JNeurosci i eNeuro w kolekcji Neuronline 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, and Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019, 6 (1) ENEURO.0351-18.2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
About the Author
