CC BY
136. Капышева У Н., Бахтиярова Ш. К., Баимбетова А. К., Жаксы-мов Б. И., Корганбаева А. С. Влияние мононуклеаров на когнитивные функции в разные сроки после трансплантации//Меж-дународный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 9—2. — С. 279—283.
УДК 612.84
Смирнов И. В.1, Иджилова О. С. 1, Волгушев М. А.12, Малышев А. Ю.1
1 ФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия.
2 Университет Коннектикута, Сторс, США
I. V. Smirnov1, O.S. Idzhilova1, M. A. Volgushev2, A. Y. Malyshev1
1 Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of RAS, Moscow, Russia
2 University of Connecticut, Storrs, USA
E-mail: ivan.vas.smirnov@gmail.com
МОДУЛЯЦИЯ АМПЛИТУДЫ ГАММА ОСЦИЛЛЯЦИЙ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА НЕЙРОНОВ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ МЫШЕЙ УЛУЧШАЕТ КОДИРОВАНИЕ ЗРИТЕЛЬНЫХ СТИМУЛОВ
MODULATION OF THE AMPLITUDE OF GAMMA-BAND OSCILLATIONS BY STIMULUS PHASE IN MOUSE VISUAL CORTEX NEURONS IMPROVES SIGNAL ENCODING. RUNNING TITLE: GAMMA-BAND OSCILLATIONS IN MOUSE VISUAL CORTEX NEURONS
DOI
Аннотация: Процесс обработки информации нейронами неокор-текса сопровождается возникновением гамма-осцилляций полевых и мембранных потенциалов. В этой работе, используя петч-кламп ре-
гистрацию простых клеток первичной зрительной коры анестезированных мышей, мы показали, что сила гамма осцилляций в мембранном потенциале модулируется медленными колебаниями, вызванными зрительными стимулами. Используя в качестве модели нейроны на переживающих срезах мозга мышей, мы продемонстрировали, что подобная модуляция гамма-осцилляций улучшает кодирование медленных синусоидальных сигналов последовательностью потенциалов действия.
Ключевые слова: зрительная кора, нейрон, гамма осцилляции, кодирование сигналов
Abstract: Information processing by neurons of the neocortex is accompanied by the appearance of gamma-oscillations of field and membrane potentials. In this work, using patch-clamp registration of simple cells of the primary visual cortex of anesthetized mice, we showed that the strength of gamma oscillations in the membrane potential is modulated by slow oscillations evoked by visual stimuli. Using patch-clamp registration of neurons on the experiencing slices of the neocortex of mice, we have shown that such modulation of gamma oscillations improves the coding of slow sinusoidal signals into a sequence of action potentials.
Keywords: visual cortex, neuron, gamma-oscillations, signal encoding
Введение: В связи с широким распространением генетических инструментов в последнее время мыши становятся важным объектом исследований в различных областях нейронаук, в том числе и в физиологии зрительной системы [1]. Гамма осцилляции (25—70 Гц) играют важную роль в различных аспектах обработки зрительной информации и способствуют синхронизация активности нейронных ансамблей. В предыдущих работах на зрительной коре кошек было показано, что во время предъявления зрительных стимулов в мембранном потенциале нейронов возникают гамма осцилляции, которые модулируются временной частотой зрительных стимулов таким образом, что во время зрительного ответа эти осцилляции становятся сильнее во время фаз деполяризации и слабее в фазу гиперполяризации [2]. В более поздних работах на математических моделях нейронов было показано, что подобная модуляция высокочастотных осцилляций приводит к улучшению кодирования медленных осцилляций мембранного потенциалах и увеличению скорости передачи информации в нейронных сетях [3].
Используя регистрацию методом пэтч-кламп нейронов зрительной коры на анестезированных мышах мы обнаружили, что во время предъявления зрительных стимулов в виде движущихся решеток в мембранном потенциале нейронов возникают осцилля-
ции в гамма диапазоне, огибающая которых синфазна с частотой зрительного стимула. В экспериментах на переживающих срезах мозга нами было показано, что подобная модуляция приводит к улучшению кодирования медленных колебаний через последовательности потенциалов действия.
Методика: Эксперименты были выполнены на взрослых мышах линии C57/B16 обоих полов. Животные были анестезированы с помощью внутрибрюшинной инъекции уретана (0.7—1 г/кг веса). Петч электроды были заполнены следующим раствором мМ: 140 К-глюконата, 20 КС1, 4 Mg-ATP, 0,3 Na2-GTP, 10 Na-Фосфокре-атинин, 10 HEPES, pH 7.25. Сопротивление электродов составляло 3—4 МОм. Мембранный потенциал регистрировался с помощью усилителя Multiclamp 700B и оцифровывался с частотой 20 кГц с помощью Digidata 1550 (Molecular devices, USA).
Зрительная стимуляция осуществлялась с помощью движущихся решеток, демонстрируемых на экране монитора и ориентированных под различными углами. Зрительные стимулы генерировались с помощью программного обеспечения Psychopy3. Монитор был расположен на расстоянии 25 см от животного и покрывал 60— 70 градусов зрительного пространства. Пространственная и временная частоты зрительных стимулов составляли 0.04 cpd и 2 Гц соответственно. Решетки двигались в 12 различных направлениях в псевдослучайном порядке. Каждый зрительный стимул предъявлялся в течении 2 секунд. Между зрительными стимулами предъявлялся серый экран в течении 0,5 секунд.
В экспериментах на срезах электроды были заполнены следующим раствором (мМ): 130 К-глюконата, 20 KCl, 4 Mg-ATP, 0,3 Na2-GTP, 10 Na-Фосфокреатинин, 10 HEPES, pH 7.25. Сопротивление электродов составляло 4—6 МОм. Мембранный потенциал регистрировался с помощью усилителя Multiclamp 700B и оцифровывался с частотой 10 кГц используя Digidata 1550 (Molecular devices, USA).
Результаты: Во время in vivo экспериментов нами было зарегистрировано 24 нейрона из 2—5 слоёв первичной зрительной коры мышей; 16 клеток были классифицированы нами как простые. Ответ простых клеток во время ответа на оптимально ориентированные решетки характеризовались наличием сильной модуляции гамма-осцилляций, происходящей с частотой зрительного стимула (рис 1 а). В то же время во время предъявления зрительного стимула неоптимальной ориентации, в мембранном потенциале не воз-
никали ни гамма осцилляции, ни медленные колебания мембранного потенциала. (рис 1 б).
Рисунок 1. Пример внутриклеточной записи ответа нейрона зрительной коры в ответ на предъявление зрительного стимула в виде движущейся решетки оптимальной (а) и неоптимальной (б) ориентации.
1 Мембранный потенциал, записанный методом петч-кламп в режиме фиксации тока. 2. Осцилляция мембранного потенциала с частотой зрительного стимула, полученная методом Фурье фильтрации. 3. Осцилляции мембранного потенциала в гамма диапазоне, полученные методом Фурье фильтрации (потенциалы действия были предварительно удалены). 4. Мощность гамма осцилляции, полученная методом скользящего RMS.
Для проверки гипотезы, что подобная модуляция гамма осцил-ляций может улучшать кодирование медленных колебаний мембранного потенциала через последовательность потенциалов действия, были выполнены эксперименты на переживающих срезах мозга. Мы регистрировали потенциалы действия возникающие в ответ на инъекцию в нейроны тока синусоидальной формы с частотой 2 Гц (рис 2). Каждый цикл данной синусоиды представлял собой или «чистую» синусоиду (рис. 2 а), или синусоиду, к которой добавлялся немодулированный шум в гамма диапазоне (рис 2 б), или синусоиду, к которой добавлялся шум в гамма диапазоне, промодулированный этой же синусоидой (рис. 2 в). Всего в этих экспериментах было заре-
гистрировано 9 нейронов 2/3 слоя. Для каждой такой записи мы рассчитывали среднее количество вызванных потенциалов действия и среднюю частоту потенциалов действия в пачке.
б V 1 20мв |
250МС ___—--- 1 ЮОпА |
Рисунок 2. Пример инъецированного тока (снизу) и вызываемых им изменений мембранного потенциала (сверху) нейронов в экспериментах на переживающих срезах мозга.
а). Пример синусоиды без добавления шума в диапазоне гамма осцилляции.
б). Пример синусоиды с добавлением немодулированного шума в диапазоне гамма осцилляции.
в) Синусоида с добавление модулированного шума в диапазоне гамма ос-цилляций.
Для «чистой» синусоиды и синусоиды с добавлением немодулированного шума среднее количество потенциалов действия в пачке не имело значимых различий (0,79 ± 0,06 и 0,95 ± 0,01, P >0,05; нормированные значения), в то время как среднее количество потенциалов действия в пачке для синусоиды с добавлением модулированного шума было значимо выше (1,26 ± 0,07). При исследовании частоты генерации потенциалов действия в пачке нами были получены схожие результаты. Частота генерации потенциалов действия не имела значимых различий для «чистой» синусоиды и синусоиды с добавлением немодулированного шума, в то время как частота генерации потенциалов действия в группе с модулированным была значимо выше (0,94±0,02; 0,94 ± 0,02 и 1,13 ± 0,04 соответственно; p<0.001; нормированные значения). В качестве статистического теста использовалась ANOVA с критерием Тьюки.
Заключение: В ходе исследования нами было обнаружено, что в простых клетках первичной зрительной коры мыши осцилляции мембранного потенциала в гамма диапазоне модулируются часто-
той предъявляемого зрительного стимула. В то же время в исследовании на срезах мы показали, что данная модуляция может приводить к улучшению кодирования нейроном медленных осцилляций мембранного потенциала через последовательности потенциалов действия.
Таким образом, феномен амплитудной модуляции гамма ос-цилляций мембранного потенциала с частотой зрительного стимула, изначально описанный на кошках, может представлять собой универсальный механизм кодирования зрительной информации.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 20—15— 00398).
Список литературы:
1. Matteo С, Churchland AK. Probing perceptual decisions in ro-dents.//Nature neuroscience — 2013 — vol. 16 — №1 — P 31. doi:10.1038/nn.3410
2. Volgushev, M, Pernberg, J, Eysel, UT. Gamma-frequency fluctuations of the membrane potential and response selectivity in visual cortical neurons.//The European journal of neuroscience — 2003 — vol. 17 — PP. 1768—1776. doi:10.1046/j.1460—9568.2003.02609.x.
3. Hoch T., Volgushev S., Malyshev, A., Obermayer, K., Volgushev, M. Modulation of the amplitude of y-band activity by stimulus phase enhances signal encoding.//European Journal of Neuroscience — 2011 — vol. 33 — N7 — PP. 1223—1239. doi:10.1111/j.1460— 9568.2011.07593.x.
УДК 57.024
Сотсков В. П.1, Плюснин В. В.23, Поспелов Н. А.1, Анохин К. В.14
1 Институт перспективных исследований мозга МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия.
2 Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия.
3 Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия
4 НИИ Нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАН, Москва, Россия
