CC BY
8УДК 612.843.7
СОЧЕТАННАЯ И НЕСОЧЕТАННАЯ СТИМУЛЯЦИЯ НЕЙРОНОВ ПЕРВИЧНОЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ ПРИВОДИТ К ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ЗРИТЕЛЬНЫХ ОТВЕТОВ
DOI
Смирнов И. В.1, Малышев А. Ю.1
1 Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН,
Москва, Россия e-mail: ivan.vas.smirnov@gmail.com
Аннотация. Было найдено, что сочетанная и не сочетанная со зрительной стимуляция нейронов V1 области коры мыши in vivo — процедуре, приводящей к возникновению синаптической пластичности на редуцированных препаратах — приводит к изменению параметров зрительных ответов нейронов.
Ключевые слова: синаптическая пластичность, зрительная кора, опто-генетика.
Согласно одной из центральных гипотез нейробиологии синаптическая пластичность обеспечивает адаптивное функционирование кортикальных сетей в процессах развития, перцепции, обучении и памяти. Однако, поскольку клеточные и молекулярные механизмы синаптической пластичности исследуются главным образом на упрощенных препаратах, таких как культура нейронов или переживающие срезы мозга, представление о роли синаптиче-ской пластичности в механизмах работы корковых сетей является в значительной степени коррелятивным. В ходе нашей работы мы исследовали влияние сочетанной и несочетанной со зрительной стимуляции (процедура, аналогичная STDP на срезах мозга) на сенсорные ответы единичных нейронов первичной зрительной коры мыши in vivo. Сочетанная стимуляция вызывает Хеббовскую ассоциативную пластичность, в то время как несочетанная стимуляция, как неоднократно было показано ранее, приводит к формированию гетеросинаптических изменений в работе нейронных сетей.
Первая часть работы была выполнена на первичной зрительной коре трансгенных мышей, у которых под промотором Thy экспрес-сировался ген светоактивируемого белка канального родопсина2 (ChR2). В зрительной коре мышей данной линии экспрессия ChR2 наблюдается преимущественно в пирамидных нейронах 5-го слоя. Регистрация активности нейронов производилась методом юкстра-клеточной регистрации при помощи стеклянного микроэлектрода, вставленного в специализированный холдер — Оптопетчер, который обеспечивал возможность введения внутрь электрода оптоволокна, через которое осуществлялась оптогенетическая стимуляция регистрируемого нейрона. В течение первых 10 минут регистрации животному демонстрировались движущиеся полосы вертикальной и горизонтальной ориентации в ответ на которые в нейроне генерировались потенциалы действия. Затем определялась более оптимальная ориентация стимула для данного нейрона, и выполнялась оптогенетическая стимуляция, сочетанная во времени с предъявлением зрительного стимула неоптимальной ориентацией. Всего для каждого нейрона производилось от 100 до 200 таких сочетаний, после чего, продолжалось дальнейшее тестирование зрительными стимулами в течение еще, по крайней мере, 40 минут. Было найдено, что после сочетанной стимуляции происходит смещение ори-ентационной настройки нейрона в сторону подкрепляемого стимула, что выражалось в виде увеличения ответов на неоптимальный (подкрепляемый) стимул по сравнению с ответом на изначально оптимальный стимул. Полученные изменения сохранялись более одного часа после сочетанной стимуляции. В то же время в контрольной группе, в которой проводилась оптогенетическая стимуляция нейронов эксплицитно несочетанная с демонстрацией неоптимально ориентированного стимула, не было обнаружено никаких значимых изменений индекса ориентационной селективности. Нормированные к начальным коэффициенты ориентационной селективности в группе с сочетанной и несочетанной стимуляцией составляли 1.85 ± 0.3 и 0.95 ± 0.09 соответственно (p < 0.05, критерий Уилкоксона).
Кроме того, мы провели пилотные эксперименты по изучению роли гетеросинаптической пластичности в динамических модификациях зрительных ответов нейронов неокортекса. В этих опытах нейроны зрительной коры наркотизированной мыши in vivo регистрировались внутриклеточно методом whole-cell patch clamp. Для исследования влияния гетеросинаптической пластичности
на зрительные ответы, в нашей работе использовался протокол внутриклеточной тетанизации. Во время тетанизации в регистрируемом нейроне вызывались серии из 10 пачек по 5 потенциалов действия с частотой 100 Герц каждую секунду; всего было пять таких серий с интервалом 60 секунд. В многочисленных экспериментах на срезах мозга было показано, что подобный протокол вызывает массированные пластические изменения синаптических входов на данный нейрон: часть входов потенциируется, часть депресси-руется, часть остается без изменений. В качестве зрительных стимулов, как и в предыдущей серии экспериментов, мы использовали движущиеся полосы двух взаимно перпендикулярных ориентаций различных направлений. Было найдено, что после внутриклеточной тетанизации в некоторых клетках произошло значительно увеличение длительности ответа на один из зрительных стимулов, что может быть вызвано уширением зрительного поля в одном из направлений.
Таким образом, воздействие на отдельные нейроны 5-го слоя первичной зрительной коры может приводить к изменению функциональных свойств этих клеток. Поскольку в 5м слое первичной зрительной коры мыши расположены в основном сложные клетки, то остается открытым вопрос какие изменения может вызывать подобная стимуляция в простых нейронах, которые преимущественно расположены в 4-ом и 2/3 слоях первичной зрительной коры грызунов. Также интересно, насколько долго подобные изменения сохраняются во времени и могут ли они оказать значимое влияние на поведение целого животного.
Таким образом, в нашей работе мы продемонстрировали роль ассоциативной и неассоциативной пластичности в динамической организации рецептивных полей нейронов зрительной коры.
Данное исследование было поддержано Российским Научным Фондом
(грант № #20-15-00398).
PAIRED AND UNPAIRED STIMULATION OF MOUSE VISUAL CORTEX NEURONS CAN CHANGE THEIR RESPONSE PROPERTIES
Smirnov I.V.1, Malyshev A.Yu.1
1 Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS, Moscow, Russia
Abstract. It was found that stimulation of neurons in the V1 region of the mouse cortex explicitly paired and unpaired with visual stimulation — a procedure known to induce synaptic plasticity on reduced preparations — leads to a change in the properties of the visual responses of neurons.
Key words: synaptic plasticity, visual cortex, optogenetics.
