Materialul de mai jos rezumă articolul Activity Patterns in the Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics, publicat pe 4 ianuarie 2019, în eNeuro și semnat de Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson și Joshua A. Goldberg.
Imagistica în direct a populațiilor neuronale dezvăluie adesea un semnal de fond care înghite semnalul de la neuronii individuali. De obicei, acest semnal de fond este respins ca fiind neinformativ sau ca un epifenomen. Am imaginat la șoareci în mișcare liberă interneuronii eliberatori de acetilcolină (colinergici) din striatum care joacă un rol critic în funcția ganglionilor bazali și în disfuncția din tulburările de mișcare. În mod important, acești interneuronii dau naștere unei neuropilă abundent de densă de procese neuronale fine care umple striatumul. În aceste circumstanțe, analiza noastră a arătat că semnalul de fond care provine din neuropilă reprezintă o citire de „câmp mediu” a activității colective recurente a interneuronilor colinergici. Astfel, semnalul neuropilului funcționează ca o citire fiziologică a stării rețelei.
De peste o jumătate de secol, clinicienii și oamenii de știință știu că o întrerupere a așa-numitului echilibru dintre acetilcolina și dopamina eliberată în regiunea creierului numită striatum este un corelativ patologic central al diferitelor tulburări de mișcare, cum ar fi boala Parkinson și boala Huntington. Acest dezechilibru a fost dedus din studii biochimice și histologice ale striatumului. Cu toate acestea, dovezile pentru un astfel de dezechilibru în activitatea fiziologică a circuitelor cerebrale au lipsit.
Doar recent, tehnicile imagistice și moleculare ne-au permis să observăm direct activitatea circuitelor de dopamină și acetilcolină la șoarecii care se mișcă liber. Putem acum să țintim tipuri specifice de neuroni, cum ar fi interneuronii colinergici, cu markeri fluorescenți codificați genetic și să vizualizăm activitatea lor cu microendoscoape fluorescente minuscule și extrem de ușoare plasate pe capetele șoarecilor. Am sperat că, cu ajutorul acestei tehnologii, vom putea monitoriza activitatea interneuronilor colinergici și vom începe să înțelegem modul în care este eliberată acetilcolina în striatul șoarecilor care se mișcă liber.
În timp ce am observat semnale de la neuroni individuali, ceea ce a fost izbitor la imagistica noastră striatală la șoarecii care se mișcă liber a fost semnalul de fond al neuropilului care îi înconjoară. Acesta părea să se „aprindă” în reprize de fluorescență strălucitoare care erau adesea mult mai strălucitoare decât semnalele de la neuronii individuali. Mai mult, acest semnal de fond era foarte sincron și corelat în regiuni mari ale neuropilului striatal. Cu toate acestea, cel mai ciudat rezultat, de departe, a fost că semnalul neuropilului – deși asociat în mod clar cu semnalele de la corpurile celulare individuale – atât a precedat aceste semnale, cât și a decăzut mai repede decât acestea.
Ce ar putea explica cinetica mai rapidă a semnalului neuropilului și de ce a precedat semnalele de la neuronii individuali? Mai mult, care este semnificația semnalului sincron al neuropilului? O posibilitate este ca semnalul de fond să reprezinte intrarea sinaptică la interneuronii colinergici, care precede răspunsul acestora. Faptul că semnalul de fond este sincron din punct de vedere spațial ar putea însemna că interneuronii colinergici sunt angrenați în mod sincron de reprize de intrare comună. În acest caz, semnalul neuropilului ar putea fi considerat un semnal feed-forward. Alternativ, semnalul de fond ar putea reprezenta suma totală a potențialelor de acțiune emise de o rețea de interneuronii colinergici. Se presupune că aceste potențiale de acțiune se răspândesc în întreaga neuropilă. În acest caz, semnalul neuropilului ar trebui să fie considerat un semnal de feedback sau un semnal recurent al rețelei colinergice.
Prin combinarea tehnicilor avansate de imagistică și optogenetică am reușit să arătăm că, deși semnalul neuropilului precede semnalele de la neuronii individuali, acesta nu reprezintă intrarea. Mai degrabă, acesta reprezintă o medie de populație a activării concomitente a multor interneuronii colinergici, dintre care majoritatea au corpurile celulare situate în afara câmpului vizual al microendoscopului (de exemplu, în regiuni mai profunde ale striatumului). Cu toate acestea, activitatea lor neuronală poate fi observată în câmpul de vizualizare, deoarece atunci când potențialele de acțiune sunt declanșate în apropierea corpurilor lor celulare, acestea se deplasează de-a lungul axonului, precum și de-a lungul dendritelor, într-un proces numit back-propagation. Procesul este denumit astfel deoarece direcția merge aparent „împotriva” fluxului normal de informații din neuron, care ar trebui să meargă de la dendrite la axon, și nu invers.
Pentru că arborii dendritici și axonali ai interneuronilor colinergici care constituie neuropilul colinergic sunt excepțional de densi și de plini de volum, potențialele de acțiune din întregul striatum contribuie la semnalul de fond observat în câmpul vizual. Cinetica mai rapidă a semnalului neuropilului se datorează biofizicii neuronale care dictează că semnalele cresc și scad mai repede în procesele neuronale cu diametru mai mic.
Dacă semnalul neuropilului reprezintă o activitate medie a populației, nu ne-am aștepta să constatăm că semnalele corpului celular preced semnalul mediu în jumătate din cazuri? Răspunsul este nu. Semnalul neuropil reprezintă un proces de recrutare neuronală, deci este puțin probabil ca neuronii din câmpul vizual să fie printre primii recrutați. Mai mult, având în vedere că am imaginat straturile superficiale ale striatumului, iar recrutarea interneuronilor colinergici își are cel mai probabil originea în regiunile mai profunde ale striatumului, este de așteptat ca interneuronii superficiali să fie recrutați abia mai târziu.
Natura de „câmp mediu” a semnalului neuropilului amintește de alte citiri fiziologice bine cunoscute ale activității populației, cum ar fi potențialul de câmp local (LFP), care este, de asemenea, celebru pentru sincronizarea pe distanțe mari în creier. Una dintre caracteristicile dinamice interesante ale semnalelor LFP este faptul că s-a demonstrat că acestea dau naștere unor valuri de activare călătoare. În prezent, studiem semnalul neuropilului pentru a vedea dacă și acesta dezvăluie astfel de structuri spațio-temporale organizate în activarea interneuronilor colinergici, în special în lumina ipotezei noastre că recrutarea interneuronilor colinergici începe în regiunile mai profunde ale striatumului și se răspândește de acolo.
După ce am dezvăluit sursa semnalului neuropilului colinergic, întrebarea rămâne în continuare: De unde știm că semnalul neuropilului este ceva mai mult decât un epifenomen? Studiile viitoare vor determina modul în care semnalul neuropilului colinergic corespunde într-un mod semnificativ cu comportamentele înnăscute sau învățate, motorii sau asociative ale șoarecilor. Mai mult decât atât, o astfel de citire robustă a activității colinergice striatale (eventual asortată cu o anumită citire robustă comparabilă a activității dopaminergice striatale) ar putea, poate, într-o zi, să servească drept biomarker pentru cuantificarea faimosului dezechilibru dopamină-acetilcolină în tulburările de mișcare.
Vizitați eNeuro pentru a citi articolul original și pentru a explora alte conținuturi. Citiți alte rezumate ale articolelor JNeurosci și eNeuro în colecția Neuronline SfN Journals: Rezumate ale articolelor de cercetare.
Modelele de activitate în neuropilul interneuronilor colinergici striatali la șoarecii care se deplasează liber reprezintă dinamica lor colectivă de spike. Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J. Martins, Gilad A. Jacobson și Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019, 6 (1) ENEURO.0351-18.2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
Cu privire la autor
