Hebbian circuit plasticity in the barrel cortex of the mouse
Authors: Κεχαγιάς Βασίλειος 
Published: February 2023

Αυξανόμενα στοιχεία δείχνουν ότι οι νευρώνες είναι ικανοί να αλλάξουνλειτουργικές ιδιότητες και μορφολογία καθ'όλη τη διάρκεια της ζωής των οργανισμών, φαινόμενοπου ονομάζεται νευρωνική πλαστικότητα. Ένα σημαντικό ερώτημα στον επιστημονικό τομέα που μελετά τη νευρωνικήπλαστικότητα είναι πώς συνδέονται μεταξύ τους οι λειτουργικές και δομικές αλλαγές. Από τη μια πλευρά, μελέτες σε πειραματικά μοντέλα έχουν δείξει, είτε in vitro είτε post-mortem,ότι οι μικροσκοπικές αλλαγές της μορφολογίας των νευρώνων συσχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με τη συναπτικήδραστηριότητα. Από την άλλη πλευρά, πολλές μελέτες έχουν διαπιστώσει ότι όταν η εμπειρία τουοργανισμού μεταβάλλεται μέσω της αισθητηριακής στέρησης, του αισθητηριακού εμπλουτισμού ή κατά τη μάθηση δοκιμασιών, μπορούν να παρατηρηθούν διάφορες δομικές αλλαγές. Αυτές κυμαίνονταιαπό μεγάλης κλίμακας αναδιατάξεις αξόνων και δενδριτών, έως μικροσκοπικές αλλαγέςστη μορφολογία των νευρώνων όπως η προσθήκη ή η εξάλειψη συνάψεων, ή ητροποποίηση προϋπαρχουσών συνάψεων.Ωστόσο, πολύ λίγες μελέτες έχουν εξετάσει άμεσα ποια νευρωνικά μονοπάτιαενεργοποιούνται κατά τη διάρκεια τέτοιων πειραματικών χειρισμών και ποια είναι τα μοτίβασυναπτικής ενεργοποίησης που απαιτείται για την πρόκληση δομικών αλλαγών. Αυτό το έργο είναι μια προσπάθειαγια να διευκρινιστούν ορισμένες πτυχές αυτού του ζητήματος. Σε μια προηγούμενη μελέτη, δείξαμε ότι η ρυθμικήδιέγερση του μύστακα στα 8 Hz μπορεί να προκαλέσει μακροπρόθεσμη ενίσχυση (LTP) των αποκρίσεων σε κύτταρα της στοιβάδας 2/3 (L2/3) του πρωτοταγή σωματαισθητικού φλοιού. Αυτή η μορφή πλαστικότηταςεξαρτάται από την εμφάνιση χωρικά εντοπισμένων και μεγάλων σε μέγεθος δενδριτικώνεκπολώσεων, που ονομάζονται δυναμικά plateau. Ειδικότερα, διαπιστώσαμε ότι η ενεργοποίησητου έσω οπίσθιου πυρήνα (POm), ενός θαλαμικού πυρήνα ανατροφοδότησης,είναι επαρκής για την επαγωγή δυναμικών plateau και απαραίτητη για LTP. Ο POmείναι μέρος του παραλήμνιου μονοπατιού, το οποίο παρέχει ανατροφοδότηση στο πρωτοταγήαισθητηριακό φλοιό, και ο οποίος έχει ανατομικές και φυσιολογικές ιδιότητες που είναι διακριτέςαπό τη λήμνια οδό ανοδικής μεταγωγής.Υποθέσαμε ότι η συμπτωματική ενεργοποίηση αυτών των δύο οδώνκατά τη ρυθμική διέγερση του μύστακα στα 8 Hz είναι ένας μηχανισμός για την επαγωγή λειτουργικήςκαι δομικής πλαστικότητας. Για να ελέγξουμε αυτή την υπόθεση, διεγείραμε το μύστακα, που ενεργοποιεί κυρίως τη λήμνια οδό, με χαμηλή συχνότητα σε συνδυασμό μεδιέγερση του POm. Διεγείραμε τον POm εκφράζοντας το οπτικά διεγέρσιμο κανάλι κατιόντων Channelrhodopsin-2 (ChR2) μέσω τοπικών ενέσεων ιικού φορέα και τηνεμφύτευση μιας οπτικής ίνας που στοχεύει σε αυτήν την περιοχή. Πραγματοποιήσαμε in vivo ενδοκυτταρικέςκαι εξωκυτταρικές ηλεκτροφυσιολογικές καταγραφές προκειμένου να επαληθευτεί ότι το πρωτόκολλό μαςπροκαλεί λειτουργικές αλλαγές στη δραστηριότητα των κυττάρων L2/3. Πραγματοποιήσαμε επίσης διαμήκη in vivo απεικόνιση δύο φωτονίων για να παρατηρήσουμε τη μικροσκοπικήμορφολογία των κυττάρων της L2/3.Μέσα από τις in vivo ηλεκτροφυσιολογικές καταγραφές μας, διαπιστώνουμε ότι τοπρωτόκολλο συντονισμένης ενεργοποίησης οδηγεί σε ενίσχυση των υποκατωφλίων αποκρίσεων και αυξημένηενεργοποίηση του δικτύου της L2/3. Βρίσκουμε επίσης ότι, ως πληθυσμός, οι δενδριτικές άκανθες των κυττάρων της L2/3 συρρικνώνονται. Αυτή η επίδραση στο μέγεθος των ακάνθων εξαρτάται από το φλοιικό βάθος,με πιο επιφανειακές άκανθες να παρουσιάζουν πιο έντονη μείωση μεγέθους.Επιπλέον, βρίσκουμε κάποιες ενδείξεις ότι οι άκανθες που οργανώνονται σε συστάδες στον δενδρίτηεπηρεάζονται διαφορετικά με βάση το φλοιικό τους βάθος. Ενώ οι πιο επιφανειακέςάκανθες σε αυτήν την ομάδα ακάνθων συρρικνώνονται, οι άκανθες που βρίσκονται βαθύτερα τείνουν να μεγεθύνονται,επίδραση που παρατηρήθηκε σε ποντίκια που έλαβαν τη συντονισμένη ενεργοποίηση και όχι σε ποντίκια πουέλαβαν μόνο οπτική διέγερση.Με βάση προηγούμενα δημοσιευμένα αποτελέσματα, προκρίνουμε την υπόθεση ότι η συρρίκνωση δενδριτικών ακάνθων που παρατηρούμε σχετίζεται με την ετεροσυναπτική αποδυνάμωση των ανενεργών συνάψεων σεδενδριτικά τμήματα στα οποία η ισχυρή εκπόλωση επάγει την ενίσχυση ενεργώνσυνάψεων. Το εύρημα μας ότι οι επιφανειακές άκανθες συρρικνώνονται σε ποντίκια που έλαβανσυντονισμένη ενεργοποίηση αλλά όχι σε ποντίκια που έλαβαν μόνο την οπτική ενεργοποίηση, προτείνειότι η χωρική και χρονική σύμπτωση των εισόδων που προκύπτουν απευθείας από τον POm, δεδομένωντων γνωστών ανατομικών προβολών τους που ταιριάζουν με αυτήν την κατανομή φλοιικού βάθους, μαζί με ενδοφλοιικές εισόδους είναι από κοινού υπεύθυνες για την εκπόλωση και την επακόλουθη συρρίκνωση των ακάνθων.