Роль гетеросинаптической пластичности в модификации сенсорных ответов нейронов зрительной коры мыши
- Авторы: Смирнов И.В.1, Осипова А.А.1, Симонова Н.А.1, Смирнова М.П.1, Бородинова А.А.1, Малышев А.Ю.1
-
Учреждения:
- Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 723-726
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 13.11.2023
- Статья одобрена: 18.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623273
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623273
- ID: 623273
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Синаптическая пластичность играет важную роль в функционировании нейронных сетей в процессах развития, перцепции, обучении и памяти. Однако, поскольку клеточные и молекулярные механизмы синаптической пластичности исследуются главным образом на упрощенных препаратах, представления о роли синаптической пластичности в механизмах работы корковых сетей являются в значительной степени коррелятивными. В настоящее время подавляющее большинство работ по синаптической пластичности посвящено исследованию гомосинаптической (ассоциативной, хеббовской) пластичности, при которой модификации подвергаются те же синапсы, которые непосредственно участвовали в процессе индукции пластичности. Однако помимо гомосинаптической пластичности, в работе нейронных сетей играет важную роль гораздо менее изученная гетеросинаптическая пластичность, возникающая в синапсах, которые не были активны во время индукции [1, 2]. В ходе нашей работы мы исследовали роль гетеросинаптической пластичности, вызванной внутриклеточной тетанизацией пирамидных нейронов зрительной коры мыши, в модификации ответов этих клеток на зрительную стимуляцию in vivo.
В первой серии экспериментов нейроны зрительной коры наркотизированной мыши регистрировались внутриклеточно методом whole-cell patch clamp. Для исследования влияния гетеросинаптической пластичности на зрительные ответы в нашей работе использовался протокол внутриклеточной тетанизации. Во время тетанизации в регистрируемом нейроне вызывались серии из 10 пачек по 5 потенциалов действия с частотой 100 Гц каждую секунду; всего было 5 таких серий с интервалом 60 секунд. В многочисленных экспериментах на срезах мозга ранее было показано, что подобный протокол вызывает массированные пластические перестройки синаптических входов на данный нейрон: часть входов потенциируется, часть депрессируется, часть остается без изменений (см. обзор [3]). В качестве зрительных стимулов мы использовали вертикальные и горизонтальные полосы, движущиеся в двух противоположных направлениях. Для предотвращения генерации потенциалов действия в клетку постоянно подавался небольшой гиперполяризующий ток и, таким образом, ответы на зрительные стимулы представляли собой изменения мембранного потенциала клеток. Было выявлено, что внутриклеточная тетанизация вызывает достоверное увеличение амплитуды и площади ответа на оптимальный стимул (по ориентации и направлению движения), притом, что ответы на другие стимулы значимо не меняются. Следствием этого явилось увеличение упрощённого индекса дирекциональной селективности нейронов в группе с тетанизацией, который мы рассчитывали как отношение амплитуды ответа на стимул, движущийся в оптимальном направлении к амплитуде ответа на стимул, движущийся в противоположном направлении.
Для исключения эффекта перфузии внутриклеточной среды клетки, неминуемо происходящей при регистрации методом whole-cell patch clamp, а также для возможности записывать ответы клеток в течение более длительного времени после тетанизации, мы провели отдельную серию экспериментов с экстраклеточной регистрацией активности клеток и их оптогенетической стимуляцией с помощью оптического волокна, заведённого внутрь регистрирующего микроэлектрода. За две недели до эксперимента быстрый канальный родопсин oChiEF был экспрессирован методом вирусной трансдукции в пирамидных нейронах 2/3 слоя зрительной коры мышей. В ходе эксперимента в течение 15–40 минут производилась регистрация зрительных ответов, после чего производилась отптогенетическая тетанизация, вызывающая в исследуемом нейроне пачки потенциалов действия с частотой от 75 до 100 Гц, после чего мы продолжали регистрировать зрительные ответы исследуемых нейронов, по крайней мере, в течение 40 минут и более. В этой серии экспериментов мы регистрировали потенциалы действия, возникающие в нейронах в ответ на зрительную стимуляцию, которая была аналогичной той, которая использовалась в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Затем по ответам строились суммарные постстимульные гистограммы. Было выявлено, что после внутриклеточной тетанизации происходит достоверное снижение амплитуды ответа на оптимальный стимул при отсутствии значимых изменений ответов на другие ориентации и направления движения стимула. Таким образом, в этой серии экспериментов внутриклеточная тетанизация приводила к снижению индекса дирекционной селективности клеток, то есть был получен результат прямо противоположный тому, который был получен в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Для объяснения данного противоречия мы провели теоретические эксперименты на модельном нейроне Leaky Integrate and Fire (LIF). Для воспроизведения дирекциональной селективности нейронов мы использовали модель, в которой дирекциональная селективность возникает в результате того, что пики тормозных и возбуждающих компонент зрительного ответа имеют несколько разное положение при движении стимула в оптимальном и неоптимальном направлении [4]. Мы провели моделирование при двух разных потенциалах покоя: –90 мВ, что имитировало эксперименты с внутриклеточной регистрацией и инъекцией гиперполяризующего тока, и при –65 мВ, что моделировало эксперименты с экстраклеточной регистрацией спайкового ответа клетки в режиме UP-state. Оказалось, что наблюдаемая нами ситуация может быть описана моделью, если предположить, что тетанизация вызывает потенциацию как возбуждающего, так и тормозного компонента ответов.
В экспериментах на переживающих срезах зрительной коры нами было выявлено, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры приводит к сбалансированным гетеросинаптическим изменениям возбуждающих входов, приходящих на удалённые от сомы участки дендритов (сумма изменений всех входов после тетанизации равна нулю, то есть потенциация уравновешивает депрессию), при этом вызывая несбалансированную потенциацию возбуждающих перисоматических входов. Кроме того, ранее было найдено, что генерация высокочастотных пачек потенциалов действия в пирамидных нейронах 5-го слоя неокортекса вызывает потенциацию их тормозных перисоматических входов, приходящих от близлежащих парвальбуминовых интернейронов [5]. По аналогии с вышецитированной работой мы предполагаем, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры в наших экспериментах также могла приводить к потенциации перисоматических тормозных входов и одновременной потенциации перисоматических возбуждающих входов, развивающихся по механизму гетеросинаптической пластичности. При общей сбалансированности изменений возбуждающих и тормозных входов это, как показывают наши модельные эксперименты, могло приводить к наблюдаемым нами изменениям дирекциональной селективности клеток.
Таким образом, можно предположить, что высокочастотная спайковая активность, возникающая в зрительном корковом нейроне в отсутствии специфической сенсорной активации, например, во время сна, может приводить к снижению дирекциональной селективности клеток, что обеспечивает нейронам возможность более тонкой подстройки характеристик их зрительных ответов к новым зрительным сценам во время бодрствования. Возможно, что механизмом, лежащим в основе такой подстройки, является потенциация перисоматических возбуждающих и тормозных синаптических входов, развивающаяся по механизму гетеросинаптической пластичности.
Полный текст
Синаптическая пластичность играет важную роль в функционировании нейронных сетей в процессах развития, перцепции, обучении и памяти. Однако, поскольку клеточные и молекулярные механизмы синаптической пластичности исследуются главным образом на упрощенных препаратах, представления о роли синаптической пластичности в механизмах работы корковых сетей являются в значительной степени коррелятивными. В настоящее время подавляющее большинство работ по синаптической пластичности посвящено исследованию гомосинаптической (ассоциативной, хеббовской) пластичности, при которой модификации подвергаются те же синапсы, которые непосредственно участвовали в процессе индукции пластичности. Однако помимо гомосинаптической пластичности, в работе нейронных сетей играет важную роль гораздо менее изученная гетеросинаптическая пластичность, возникающая в синапсах, которые не были активны во время индукции [1, 2]. В ходе нашей работы мы исследовали роль гетеросинаптической пластичности, вызванной внутриклеточной тетанизацией пирамидных нейронов зрительной коры мыши, в модификации ответов этих клеток на зрительную стимуляцию in vivo.
В первой серии экспериментов нейроны зрительной коры наркотизированной мыши регистрировались внутриклеточно методом whole-cell patch clamp. Для исследования влияния гетеросинаптической пластичности на зрительные ответы в нашей работе использовался протокол внутриклеточной тетанизации. Во время тетанизации в регистрируемом нейроне вызывались серии из 10 пачек по 5 потенциалов действия с частотой 100 Гц каждую секунду; всего было 5 таких серий с интервалом 60 секунд. В многочисленных экспериментах на срезах мозга ранее было показано, что подобный протокол вызывает массированные пластические перестройки синаптических входов на данный нейрон: часть входов потенциируется, часть депрессируется, часть остается без изменений (см. обзор [3]). В качестве зрительных стимулов мы использовали вертикальные и горизонтальные полосы, движущиеся в двух противоположных направлениях. Для предотвращения генерации потенциалов действия в клетку постоянно подавался небольшой гиперполяризующий ток и, таким образом, ответы на зрительные стимулы представляли собой изменения мембранного потенциала клеток. Было выявлено, что внутриклеточная тетанизация вызывает достоверное увеличение амплитуды и площади ответа на оптимальный стимул (по ориентации и направлению движения), притом, что ответы на другие стимулы значимо не меняются. Следствием этого явилось увеличение упрощённого индекса дирекциональной селективности нейронов в группе с тетанизацией, который мы рассчитывали как отношение амплитуды ответа на стимул, движущийся в оптимальном направлении к амплитуде ответа на стимул, движущийся в противоположном направлении.
Для исключения эффекта перфузии внутриклеточной среды клетки, неминуемо происходящей при регистрации методом whole-cell patch clamp, а также для возможности записывать ответы клеток в течение более длительного времени после тетанизации, мы провели отдельную серию экспериментов с экстраклеточной регистрацией активности клеток и их оптогенетической стимуляцией с помощью оптического волокна, заведённого внутрь регистрирующего микроэлектрода. За две недели до эксперимента быстрый канальный родопсин oChiEF был экспрессирован методом вирусной трансдукции в пирамидных нейронах 2/3 слоя зрительной коры мышей. В ходе эксперимента в течение 15–40 минут производилась регистрация зрительных ответов, после чего производилась отптогенетическая тетанизация, вызывающая в исследуемом нейроне пачки потенциалов действия с частотой от 75 до 100 Гц, после чего мы продолжали регистрировать зрительные ответы исследуемых нейронов, по крайней мере, в течение 40 минут и более. В этой серии экспериментов мы регистрировали потенциалы действия, возникающие в нейронах в ответ на зрительную стимуляцию, которая была аналогичной той, которая использовалась в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Затем по ответам строились суммарные постстимульные гистограммы. Было выявлено, что после внутриклеточной тетанизации происходит достоверное снижение амплитуды ответа на оптимальный стимул при отсутствии значимых изменений ответов на другие ориентации и направления движения стимула. Таким образом, в этой серии экспериментов внутриклеточная тетанизация приводила к снижению индекса дирекционной селективности клеток, то есть был получен результат прямо противоположный тому, который был получен в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Для объяснения данного противоречия мы провели теоретические эксперименты на модельном нейроне Leaky Integrate and Fire (LIF). Для воспроизведения дирекциональной селективности нейронов мы использовали модель, в которой дирекциональная селективность возникает в результате того, что пики тормозных и возбуждающих компонент зрительного ответа имеют несколько разное положение при движении стимула в оптимальном и неоптимальном направлении [4]. Мы провели моделирование при двух разных потенциалах покоя: –90 мВ, что имитировало эксперименты с внутриклеточной регистрацией и инъекцией гиперполяризующего тока, и при –65 мВ, что моделировало эксперименты с экстраклеточной регистрацией спайкового ответа клетки в режиме UP-state. Оказалось, что наблюдаемая нами ситуация может быть описана моделью, если предположить, что тетанизация вызывает потенциацию как возбуждающего, так и тормозного компонента ответов.
В экспериментах на переживающих срезах зрительной коры нами было выявлено, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры приводит к сбалансированным гетеросинаптическим изменениям возбуждающих входов, приходящих на удалённые от сомы участки дендритов (сумма изменений всех входов после тетанизации равна нулю, то есть потенциация уравновешивает депрессию), при этом вызывая несбалансированную потенциацию возбуждающих перисоматических входов. Кроме того, ранее было найдено, что генерация высокочастотных пачек потенциалов действия в пирамидных нейронах 5-го слоя неокортекса вызывает потенциацию их тормозных перисоматических входов, приходящих от близлежащих парвальбуминовых интернейронов [5]. По аналогии с вышецитированной работой мы предполагаем, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры в наших экспериментах также могла приводить к потенциации перисоматических тормозных входов и одновременной потенциации перисоматических возбуждающих входов, развивающихся по механизму гетеросинаптической пластичности. При общей сбалансированности изменений возбуждающих и тормозных входов это, как показывают наши модельные эксперименты, могло приводить к наблюдаемым нами изменениям дирекциональной селективности клеток.
Таким образом, можно предположить, что высокочастотная спайковая активность, возникающая в зрительном корковом нейроне в отсутствии специфической сенсорной активации, например, во время сна, может приводить к снижению дирекциональной селективности клеток, что обеспечивает нейронам возможность более тонкой подстройки характеристик их зрительных ответов к новым зрительным сценам во время бодрствования. Возможно, что механизмом, лежащим в основе такой подстройки, является потенциация перисоматических возбуждающих и тормозных синаптических входов, развивающаяся по механизму гетеросинаптической пластичности.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Данное исследование было поддержано Российским научным фондом (грант № 20-15-00398).
Об авторах
И. В. Смирнов
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
А. А. Осипова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
Н. А. Симонова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
М. П. Смирнова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
А. А. Бородинова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
А. Ю. Малышев
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: malyshev@ihna.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Chen J.-Y., Lonjers P., Lee C., et al. Heterosynaptic plasticity prevents runaway synaptic dynamics // Journal of Neuroscience. 2013. Vol. 33, N 40. P. 15915–15929. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5088-12.2013
- Chistiakova M., Bannon N.M., Chen J.-Y., et al. Homeostatic role of heterosynaptic plasticity: models and experiments // Frontiers in Computational Neuroscience. 2015. Vol. 9. P. 89. doi: 10.3389/fncom.2015.00089
- Chistiakova M., Volgushev M. Heterosynaptic plasticity in the neocortex // Experimental Brain Research. 2009. Vol. 199, N 3-4. P. 377–390. doi: 10.1007/s00221-009-1859-5
- Rossi L.F., Harris K.D., Carandini M. Spatial connectivity matches direction selectivity in visual cortex // Nature. 2020. Vol. 588, N 7839. P. 648–652. doi: 10.1038/s41586-020-2894-4
- Lourenço J., Pacioni S., Rebola N., et al. Non-associative potentiation of perisomatic inhibition alters the temporal coding of neocortical layer 5 pyramidal neurons // PLoS Biology. 2014. Vol. 12, N 7. P. e1001903. doi: 10.1371/journal.pbio.1001903
Дополнительные файлы
