Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Гетеросинаптическая пластичность, наряду с гомосинаптической Хеббовской пластичностью, является важным механизмом, обеспечивающим стабильную работу обучающихся нейрональных сетей. Однако остается неясным, участвует ли гетеросинаптическая пластичность в работе мозга in vivo и какую функциональную роль она может играть. Одной из экспериментальных моделей, позволяющих селективно изучать гетеросинаптическую пластичность, является внутриклеточная тетанизация постсинаптических нейронов, которая заключается в индукции высокочастотных пачек потенциалов действия путем подачи импульсов тока через регистрирующий электрод. Мы использовали подход оптогенетики для применения модели внутриклеточной тетанизации, которая была создана и использована ранее для изучения гетеросинаптической пластичности в срезах мозга, для изучения пластичности свойств сенсорных ответов нейронов зрительной коры мыши in vivo. Мы показали, что оптогенетически вызванные высокочастотные пачки потенциалов действия (оптогенетическая тетанизация) в пирамидных нейронах зрительной коры мышей, экспрессирующих быстрый канальный родопсин OChIef, вызывают долговременные изменения ответов на зрительные стимулы. Оптогенетическая тетанизация оказала выраженное влияние на ответы на различные стимулы: ответы на стимулы оптимальной и ортогональной ориентацию снизились, ответы на стимул нулевого направление не изменилась, а ответы на косые ориентации увеличились. В результате дирекциональная селективность нейронов снизилась, а ориентационная настройка стала более широкой. Несмотря на то, что для оптогенетической тетанизации мы применяли локальную световую стимуляцию при помощи оптопетчера, нельзя полностью исключить возможность того, что при такой стимуляции активируется не только регистрируемый нейрон, но и соседние клетки, экспрессирующие oChieff или их отростки. Поэтому, для того чтобы дать однозначный ответ на вопрос, могут ли высокочастотные пачки потенциалов действия, вызванные только в одном постсинаптическом нейроне, привести к долговременным изменениям свойств его сенсорного ответа, мы провели эксперименты с внутриклеточной регистрацией активности нейронов зрительной коры методом петч-клямп. Помимо обеспечения селективности стимуляции, внутриклеточная регистрация позволяет нам отслеживать зрительные ответы клеток на уровне мембранного потенциала, что может более тонко отражать пластические изменения, происходящие с синаптическими входами нейрона после тетанизации. Для того, чтобы иметь возможность более точно оценивать профиль рецептивного поля клетки, здесь мы использовали движущиеся полосы в качестве зрительных стимулов, а не решетки. Всего использовалось 4 зрительных стимула в виде вертикальных и горизонтальных полос, которые двигались в противоположных направлениях. В ходе нашего исследования методом in vivo пэтч-кламп мы регистрировали подпороговые ответы нейронов первичной зрительной коры в ответ на предъявление зрительных стимулов в виде движущихся в двух противоположных направлениях полос различной ориентации. После записи контрольных зрительных ответов мы производили внутриклеточную тетанизацию исследуемых нейронов, после чего продолжали тестирующую зрительную стимуляцию. Нами было обнаружено, что внутриклеточная тетанизация приводит к уширению ответов сенсорных нейронов за счет смещения переднего фронта ответа на зрительный стимул оптимальной ориентации и направления. Кроме того, внутриклеточная тетанизация приводила к увеличению индекса дирекциональной селективности исследуемых нейронов. Таким образом, мы столкнулись с парадоксальным противоречием: в серии экспериментов с юкстаклеточной регистрацией было найдено, что оптогенетическая тетанизация приводит к УМЕНЬШЕНИЮ индекса дирекциональной селективности, измеренному по потенциалам действия, тогда как в опытах с внутриклеточной тетанизацией, где ответы регистрировались в виде изменения мембранного потенциала клетки, мы увидели противоположную картину, то есть УВЕЛИЧЕНИЕ индекса дирекциональной селективности. Для разрешения полученного противоречия между двумя сериями мы провели эксперименты на математической модели нейрона leaky integrate and fire (LIF), которая воспроизводит дирекциональную селективность клеток. Для получения исходных данных для построения модели мы провели эксперименты на переживающих срезах зрительной коры крыс. Мы изучали влияние внутриклеточной тетанизации пирамидного нейрона 2/3 слоя на пластичность фармакологически выделенных глутаматергических синаптических входов, приходящих близко и далеко от тела клетки. Было найдено, что тетанизация вызывает выраженную потенциацию «ближних» входов и фактически не меняет эффективность «дальних». Из данных литературы известно, что внутриклеточная тетанизация может также приводить к потенциации тормозных перисоматических входов, прходящих от парвальбуминовых интернейронов. Поскольку рецептивной поле зрительного нейрона формируется преимущественно синаптическими входами, приходящими на проксимальные участки дендритного дерева, мы заложили в нашу модель, что после тетанизации происходит потенциация как тормозных, так и возбуждающих проводимостей, опосредующих зрительный ответ клетки. В результате работы модели мы показали, что индекс дирекциональной селективности, измеренный по мембранному потенциалу в гиперполяризованных клетках (симуляция экспериментов с петч-клямпом) «после тетанизации» увеличился, в то время как индекс дирекциональной селективности, измеренный по потенциалам действия в деполяризованном состоянии клетки (симуляция экспериментов с юкстаклеточной регистрацией), наоборот уменьшился. Таким образом, созданная нами математическая модель объясняет полученные экспериментальные данные для изменения индекса дирекциональной селективности. Это подтверждает гипотезу о том, что противоречия между результатами экспериментов с оптогенетической и внутриклеточной тетанизацией могут объясняться различными условиями регистрации зрительных ответов, которые приводят к изменению вкладов тормозных и возбуждающих входов. Поскольку тетанизация была исключительно постсинаптическим воздействием, применяемым в отсутствие сочетанной сенсорной стимуляции, наблюдаемые в наших экспериментах изменения, по всей видимости, были опосредованы механизмами гетеросинаптической пластичности. Таким образом, мы пришли к выводу, что гетеросинаптическая пластичность может быть индуцирована in vivo, и предположили, что она может играть важную гомеостатическую роль в работе нейронных сетей, помогая предотвратить чрезмерное усиление ответов на оптимальные стимулы и чрезмерное снижение ответов на стимулы, отличные от оптимальных, из-за неконтролируемого потенциирования или депрессии соответствующих входных сигналов из-за пластичности, регулируемой принципом Хебба. Теоретические исследования с использованием подхода теории информации показывают, что существует оптимальная ширина настройки отдельных нейронов для кодирования трех или более особенностей зрительных стимулов в популяционной активности. Такая оптимальная ширина позволяет каждому нейрону популяции кодировать максимальное количество информации о зрительных стимулах. Когда ширина настройки выходит за пределы оптимального диапазона, количество информации, которую может закодировать нейрон, уменьшается. Поскольку нейроны первичной зрительной коры кодируют множество характеристик зрительных стимулов, таких как ориентация, направление и скорость движения, размер и т. д., мы предполагаем, что изменения ответов, вызванные гетеросинаптической пластичностью, могут помочь поддерживать ширину ориентационной настройки около таких оптимальных значений. Таким образом, мы предполагаем, что гетеросинаптическая пластичность может играть роль в поддержании ширины настроек нейронов в диапазоне, оптимизированном для высокой эффективности кодирования свойств зрительных стимулов в популяционной активности.