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# 生物学# 神経科学

海馬の神経発火パターン

研究が、イオン電流が海馬におけるニューロンの発火パターンにどのように影響するかを明らかにした。

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ニューロンの発火パターンがニューロンの発火パターンが明らかに!をガラッと変えるんだ。イオン電流は海馬のニューロンの発火の仕方
目次

海馬のCA1部分のニューロンは、発火の仕方がいろいろあるんだ。発火は、単体のスパイクやバーストの形で起こることがある。研究者たちは、電圧イメージングやパッチクランプ記録みたいなツールを使って、これらの発火パターンが実際にどうなるのかを見てきた。バーストのスパイクは、ニューロンがしばらく静かだった後に起こることが多いことが分かってる。

ニューロンのグループを見ると、ガンマ波とシータ波っていう2種類の脳波がこのエリアで一緒に働いてるんだ。ガンマ波は30から100Hzの周波数で、シータ波は3から12Hzのもうちょっと低い周波数で起こる。この波の面白いところは、作業記憶が必要なタスク中にガンマ波がシータ波に影響されることがあるってこと。この二つの波がどう相互作用するかが、作業記憶の機能にとって重要なんだ。

最近の研究では、異なる脳波パターンの中で同じニューロンを観察すると、その発火の仕方に変化が見られることが分かった。例えば、ニューロンがシータ波を経験すると単体のスパイクを発火するけど、ガンマ波の時にはバーストを発火するかもしれない。

ニューロンの発火の仕方は、動物が環境の中でどこにいるかの情報をエンコードするのに役立つと考えられてる。例えば、バーストのスパイクは動物が新しい場所に入るサインかもしれないし、単体のスパイクはその場所を去ることを示すかもしれない。

これらの発火パターンがどう変わるかを理解するには、ニューロンの膜を越えるイオンと呼ばれる帯電粒子の動きを理解する必要がある。ニューロンが入力を受け取ると、これらのイオンのバランスが変わって、発火の仕方が違ってくるんだ。特定のイオン電流が、単体またはバーストの発火パターンを引き起こすことがある。

ニューロンにはいろんなイオン電流があって、その中にはナトリウムに関係するものやカリウムに関係するものがある。これらの電流の相互作用が、ニューロンの発火の仕方に変化をもたらすんだ。

振動がニューロンの発火に与える影響

脳波が発生すると、ニューロンの発火頻度が変わることがある。一部のニューロンは、これらの波の特定の周波数に対してより強く反応することがある。これを超閾値共鳴って呼ぶんだ。これがCA1海馬を含むいろんな脳の部分で観察されてる。

それに、サブスレッショルド共鳴っていう現象もあって、特定の周波数の入力を受けた時にニューロンの電圧が変わることを指す。この二つの共鳴の形において、特定のイオン電流が重要な役割を果たしてる。例えば、信号を増幅するイオン電流や共鳴するものがある。

複雑なのは、異なるイオン電流がニューロンの信号への反応を強化したり低下させたりすることだ。CA1地域のニューロンは、特定の種類の振動入力を受けることでこの共鳴を利用して、効果的に情報を伝達できるんだ。

ニューロンモデルの調査

この研究では、CA1ニューロンモデルのスパイクの共鳴がさまざまな刺激にどう反応するかを見たんだ。このモデルがシータ波とガンマ波の入力で刺激された時、発火パターンがイオン電流によって変化することが分かった。

ナトリウムとカリウムの電流のレベルを調整することで、これらの変化がスパイクパターンにどう影響したかを観察したんだ。例えば、ナトリウム電流を変えることで、単体のスパイクかバーストかによって異なる共鳴が得られた。

これらのイオン電流の相互作用は、ニューロンがどう発火するかだけでなく、その発火パターンにエンコードされる情報の種類も決定するんだ。

イオン電流と発火パターン

CA1のピラミダル細胞は、特定の条件下で単体のスパイクからバーストへの移行を示すことがある。ニューロンが持続的な刺激を受けると、発火パターンは関与する特定のイオン電流によって変わるんだ。

私たちの研究では、まず持続的脱分極中のニューロンの発火に対するナトリウムとカリウム電流の影響を見た。ナトリウムのレベルを上げると、単体の発火からバーストに移行し、最終的にはニューロンが発火を止めるようなプラトーに達することが分かった。

一方で、カリウムのレベルを上げると、バーストから単体のスパイクに戻った。これが、異なるイオン電流がニューロンの振る舞いに逆の影響を与えることを示してるんだ。

私たちはまた、これらのスパイクパターンが低周波から高周波に変わる振動入力によってどう影響されるかを探った。ニューロンがこれらの振動信号を受け取ると、ナトリウムとカリウム電流のレベルによって異なる発火反応を示した。

ナトリウム電流が高いと、ニューロンはシータ周波数の刺激下でバーストを発火したが、低いと単体のスパイクが多くなる。基本的に、ニューロンは受け取る刺激周波数に応じて反応を調整できるんだ。

ニューロンの共鳴

さらに調査を進める中で、CA1のピラミダル細胞の樹状突起で活発なイオン電流、Ihが、これらのニューロンが振動入力にどう反応するかに重要な役割を果たすことが分かった。

いろんな振動周波数をテストしてみたら、単体のスパイクとバーストのスパイクが異なる振幅と周波数で共鳴することが分かった。共鳴の性質は、ナトリウム、カリウム、Ih電流のレベルによって異なる行動を示した。

これらの電流のレベルを変えると、単体発火とバースト発火の共鳴周波数は重ならず、ニューロンはその状態に応じて異なる情報を発火で運ぶことができるんだ。

スパイクの位相ロック

発火パターンが振動入力に対して位相ロックされるかどうかも探った。結果は、ナトリウムとカリウムの電流の値が、ニューロンがシータ波とガンマ波の周波数に対してどう発火するかに影響を与えることを示した。

たとえば、ナトリウム電流が低い時、ニューロンはシータ振動で刺激されるとバーストを出す傾向があった。ナトリウム電流が増えると、ニューロンはもっと単体のスパイクを出すようになる。逆に、カリウムのレベルが低いとガンマ周波数でバーストを促進し、高いとその逆になる。

この位相ロックは、ニューロンが進行中の脳波と発火を同期させることができることを示していて、ニューロンのコミュニケーションの複雑さについてさらに洞察を与えてくれる。

静かな間隔の影響

自然な条件でこれらのニューロンの振る舞いを見た時、発火イベントの間の静かな期間が、ニューロンが単体のスパイクを出すかバーストを出すかの確率に大きく影響することが分かった。

100ミリ秒以上の長い静寂期間は、バースト活動を好むように見えた。一方で、短い静寂間隔は単体のスパイクの可能性を高めるようだった。この振る舞いは、イオン伝導レベルの変動に関わらず一貫していた。

面白いことに、シータ入力やガンマ入力だけの時に、ニューロンの発火に違いが見られた。ガンマ入力は短い静寂間隔の時にバーストの可能性を高め、一方でシータ入力は長い静寂期間の後にバーストを促した。

静かな間隔と発火パターンの関係は、ニューロンがどう情報を処理するかの手がかりを与えてくれる。

実世界の観察

私たちは、このモデルの結果を先進のイメージング技術を使ってCA1ピラミダルニューロンから集めた実データと比較した。このデータは、シミュレーションの結果を支持していて、バーストは長い静寂期間の後に起こりやすく、単体のスパイクは短い静寂期間に多く発生することを示した。

実験データとモデルの相関関係は、ニューロンがどのように活動パターンに基づいて情報をエンコードするかを理解することの重要性を強調している。

結論

要するに、私たちの研究は、イオン電流の相互作用がCA1ピラミダルニューロンの発火の仕方にどのように影響するかを明らかにしている。振動や静かな期間など、さまざまな刺激のコンテキストによって発火パターンが変わり、それが動物のナビゲーションや記憶に重要な情報をエンコードするのに役立つ。

これらのメカニズムを理解することで、脳が情報を処理する方法を探る新しい手段が開かれるかもしれなくて、神経疾患の治療や認知機能の向上に繋がる可能性がある。

結局のところ、これらのニューロンは複雑な方法で機能していて、異なる発火パターンの共鳴を通じて二重に情報をコードする能力があり、脳内の広いネットワーク内での彼らの機能にとって重要なんだ。

オリジナルソース

タイトル: Interleaved single and bursting spiking resonance in neurons

概要: Under in vivo conditions, CA1 pyramidal cells from the hippocampus display transitions from single spikes to bursts. It is believed that subthreshold hyperpolarization and depolarization, also known as down and up-states, play a pivotal role in these transitions. Nevertheless, a central impediment to correlating suprathreshold (spiking) and subthreshold activity has been the technical difficulties of this type of recordings, even with widely used calcium imaging or multielectrode recordings. Recent work using voltage imaging with genetically encoded voltage indicators has been able to correlate spiking patterns with subthreshold activity in a variety of CA1 neurons, and recent computational models have been able to capture these transitions. In this work, we used a computational model of a CA1 pyramidal cell to investigate the role of intrinsic conductances and oscillatory patterns in generating down and up-states and their modulation in the transition from single spiking to bursting. Specifically, the emergence of distinct spiking resonances between these two spiking modes that share the same voltage traces in the presence of theta or gamma oscillatory inputs, a phenomenon we call interleaved single and bursting spiking resonance. We noticed that these resonances do not necessarily overlap in frequency or amplitude, underscoring their relevance for providing flexibility to neural processing. We studied the conductance values of three current types that are thought to be critical for the bursting behavior: persistent sodium current (INaP) and its conductance GNaP, delayed rectifier potassium (IKDR) and its conductance GKDR, and hyperpolarization-activated current (Ih) and its conductance Gh. We conclude that the intricate interplay of ionic currents significantly influences the neuronal firing patterns, transitioning from single to burst firing during sustained depolarization. Specifically, the intermediate levels of GNaP and GKDR facilitate spiking resonance at gamma frequency inputs. The resonance characteristics vary between single and burst firing modes, each displaying distinct amplitudes and resonant frequencies. Furthermore, low GNaP and high GKDR values lock bursting to theta frequencies, while high GNaP and low GKDR values lock single spiking to gamma frequencies. Lastly, the duration of quiet intervals plays a crucial role in determining the likelihood of transitioning to either bursting or single spiking modes. We confirmed that the same features were present in previously recorded in vivo voltage-imaging data. Understanding these dynamics provides valuable insights into the fundamental mechanisms underlying neuronal excitability under in vivo conditions. Author summarySince discovering that neurons in the hippocampus can encode spatial position through phase precession, many experiments have explored how specific theta and gamma oscillations influence location specificity in the brain. However, the individual neuronal properties and dynamics behind these behaviors are still being uncovered. Previously, we found that stereotypical bursting and single-spike firing in pyramidal neurons are linked to these oscillations and further associated with an animal entering or leaving a place field. Advances in voltage-imaging techniques have enabled us to assess these properties more precisely. Our study shows that different frequencies can independently trigger these stereotypical spikes, demonstrating a complex pattern where the same cell can be double-coded: a phenomenon we called interleaved resonance. Additionally, we found that this coding can be modulated by persistent sodium and delayed-rectifier potassium currents. Moreover, these neurons are more likely to burst following long periods of silence. These findings provide new insights into the mechanisms underlying neural coding in the hippocampus and how it relates to behavior.

著者: Rodrigo FO Pena, C. Ceballos, N. Chadly, E. Lowet

最終更新: 2024-06-30 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.24.600479

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.24.600479.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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