Hebbian circuit plasticity in the barrel cortex of the mouse

Abstract

Mounting evidence suggests that neurons are capable of changing theirfunctional properties and morphology throughout the life of animals, a phenomenoncalled neural plasticity. An important question in the scientific field studying neuralplasticity is how do the functional and structural changes relate to one another. On theone end, studies in reduced preparations, either in vitro or post-mortem, have shownthat microscopic changes of neuronal morphology are highly correlated with synapticactivation. On the other end, many studies have found that when the experience of theanimal is altered through sensory deprivation, sensory enrichment, or by itsengagement in learning tasks, various structural changes can be observed. These rangefrom large-scale re-arrangements of axonal and dendritic trees, to microscopic changesin neuronal morphology such as the addition or elimination of synapses, or themodification of pre-existing synapses.Very few studies, however, have directly examined which neuronal pathwaysare activated during such experimental manipulations and what are the patterns ofsynaptic activation necessary to induce structural changes. This project is an attemptto elucidate some aspects of this issue. In a previous study, we showed that rhythmicwhisker stimulation at 8 Hz can induce long-term potentiation (LTP) of whisker-evoked responses in layer 2/3 (L2/3) cells of the barrel cortex. This form of plasticityis dependent on the occurrence of spatially localized and large in amplitude dendriticdepolarizations, called plateau potentials. Interestingly, we found that the activationof the medial sector of the posterior nucleus (POm), a higher-order thalamic nucleus,is sufficient for the induction of cortical plateau potentials and necessary for LTP. POmis part of the paralemniscal pathway, a pathway that provides feedback to the primarysensory cortex, and which has anatomical and physiological properties that are distinctfrom the feed-forward lemniscal pathway.We hypothesized that the coincident activation of these two pathways uponrhythmic whisker stimulation at 8 Hz is a mechanism for the induction of functionaland structural plasticity. In order to test this hypothesis, we paired low-frequencywhisker stimulation, which predominantly activates the lemniscal pathway, withstimulation of POm. We stimulated POm by expressing the optically excitable cationchannel Channelrhodopsin-2 (ChR2) through localized viral-vector injections and theimplantation of an optical fiber targeted to this area. We performed in vivo intracellularand extracellular electrophysiological recordings in order to verify that our protocolinduced functional changes in the activity of L2/3 cells. We also performed longitudinal in vivo two-photon imaging in order to observe the microscopicmorphology of L2/3 cells.Through our in vivo electrophysiological recordings, we find that our pairedstimulation protocol leads to potentiation of subthreshold responses and increasednetwork activation in L2/3. We also find that, as a population, dendritic spines of L2/3cells shrink. This effect on spine size is dependent on the vertical position of spines,with more superficial spines showing a more pronounced decrease in size.Additionally, we find some evidence that spines located within clusters on the dendriteshow differential effects based on their vertical position. Whereas more superficialspines within this group of spines shrink, spines located deeper tend to enlarge, aneffect that was present in mice that received the paired stimulation and not in mice thatreceived optical stimulation alone.Based on previously published results, we favour the hypothesis that the spineshrinkage we observe is related to heterosynaptic depression of inactive synapses indendritic segments in which strong depolarization induces the potentiation of activesynapses. Our finding that superficially located spines shrink in mice that receivedpaired stimulation but not in mice that received the optical stimulation alone, suggeststhat the spatial and temporal coincidence of inputs arising directly from POm, giventheir known anatomical projections that match this cortical depth range, together withintracortical inputs are jointly responsible for the depolarization and the ensuing spineshrinkage.

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.

De plus en plus des preuves suggèrent que les neurones sont capables de changer leurs propriétés fonctionnelles ainsi que leur morphologie au cours de la vie des animaux, un phénomène qu’on appelle plasticité neuronale. Une question importante dans le domaine scientifique étudiant la plasticité neuronale est de savoir comment les changements fonctionnels et structurels se rapportent les uns aux autres. De l’un côté, des études en préparations réduites, soit in vitro soit post-mortem, ont montré que des changements microscopiques de la morphologie neuronale sont fortement corrélés avec l’activité synaptique. De l’autre côté, plusieurs études ont trouvé que quand l’expérience de l’animal est altérée, par privation sensorielle ou enrichissement sensoriel, ou par son engagement à des tâches d’apprentissage, divers changements structurels peuvent être observés. Ces derniers vont des réarrangements à grande échelle des axons et des arbres dendritiques, aux changements microscopiques en morphologie neuronale comme l’addition ou l’élimination des synapses, ou la modification des synapses préexistantes. Cependant, très peu des études ont directement examiné quelles voies neuronales sont activées pendant telles manipulations expérimentales et quels sont les modèles nécessaires d’activation synaptique pour induire des changements structuraux. Ce projet est une tentative pour élucider quelques aspects de ce problème. Dans une étude précédente, nous avons montré que la stimulation rythmique des moustaches à 8Hz peut induire de potentialisation à long terme (long-term potentiation, LTP) des réponses évoquées par les moustaches aux cellules de la couche 2/3 (L2/3) du cortex à tonneaux (barrel cortex). Cette forme de plasticité est dépendante de l’occurrence des dépolarisations spatialement localisées et larges en amplitude, nommés potentiels de plateau. Intéressement, nous avons trouvé que l’activation du secteur médial du noyau postérieur du thalamus (POm), un noyau d’ordre supérieur, est suffisant pour l’induction des potentiels de plateau corticaux et nécessaire pour la LTP. Le POm fait partie de la voie para lemniscale, une voie qui fournit de feedback au cortex sensoriel primaire, et qui a des propriétés anatomiques et physiologiques qui sont distinctes de la voie lemniscale feed-forward. Nous avons émis l’hypothèse que l’activation coïncidente de ces deux voies sur stimulation rythmique des moustaches à 8Hz est un mécanisme pour l’induction de plasticité fonctionnelle et structurelle. Afin de tester cette hypothèse, nous avons couplé la stimulation des moustaches à basse fréquence, qui principalement active la voie lemniscale, avec la stimulation du POm. Nous avons stimulé le POm en exprimant le canal des cations Channelrhodopsin-2 (ChR2) qui est optiquement excitable, parinjections localisées des vecteurs viraux, et implantation d’une fibre optique ciblée à cette région. Nous avons réalisé des enregistrements électrophysiologiques intracellulaires et extracellulaires in vivo afin de vérifier que notre protocole a induit des changements fonctionnels à l’activité des cellules de L2/3. Nous avons aussi réalisé d’imagerie longitudinale de deux-photon in vivo afin d’observer la morphologie microscopique des cellules de L2/3. Par nos enregistrements électrophysiologiques in vivo, nous trouvons que notre protocole de stimulation mène à la potentialisation des réponses sous-seuil et l’activation de réseau accrue à L2/3. Nous trouvons aussi que, en population, les épines dendritiques des cellules de L2/3 rétrécissent. Cet effet sur la taille des épines est dépendant de leur position verticale, avec les épines les plus superficielles montrant une diminution de la taille plus prononcée. En plus, nous trouvons quelques preuves que les épines situées dans des groupes sur la dendrite montrent des effets différentiels basés sur leur position verticale. Tandis que des épines plus superficielles dans ce groupe des épines rétrécissent, des épines situées plus profond ont la tendance de s’élargir, un effet qui était présent aux souris qui ont reçu la stimulation couplée et pas aux souris qui ont reçu la stimulation optique seule. Basés sur des résultats publiés précédemment, nous favorisons l’hypothèse que le rétrécissement des épines, que nous observons, est lié à la dépression hétérosynaptique des synapses inactives dans des segments dendritiques auxquels la dépolarisation forte induit la potentialisation des synapses actives. Notre constatation que des épines superficiellement situées rétrécissent aux souris qui ont reçu la stimulation couplée et pas aux souris qui ont reçu la stimulation optique seule, suggère que la coïncidence spatiale et temporelle des contributions provenant directement du POm, compte tenu de leurs projections anatomiques connues qui correspondent à cette gamme de profondeur corticale, avec des contributions intracorticales, sont conjointement responsables pour la dépolarisation et le rétrécissement des épines qui s’ensuit.