Два различных контура приводят к торможению сенсорного таламуса мозга

Таламус — это «Великая Центральная Станция» для сенсорной информации, поступающей в наш мозг. Почти каждый взгляд, звук, вкус и прикосновение, которые мы ощущаем, проходит через кору головного мозга через таламус. Предполагается, что таламус играет важную роль в самом сознании. Сенсорная информация не только проходит через таламус, она также обрабатывается и трансформируется таламусом, чтобы наша кора могла лучше понимать и интерпретировать эти сигналы от окружающего нас мира.

Одним из мощных типов трансформации является взаимодействие между возбуждающими нейронами, которые переносят данные в неокортекс, и тормозными нейронами ретикулярного ядра таламуса, или TRN, которые регулируют поток этих данных. Хотя TRN уже давно признан важным, гораздо меньше известно о том, какие клетки находятся в TRN, как они организованы и как они функционируют.

Теперь статья, опубликованная в журнале Nature, отвечает на эти вопросы. Исследователи во главе с соответствующим автором Scott Cruikshank, Ph.D., и соавторами Rosa I. Martinez-Garcia, Ph.D., Bettina Voelcker, Ph.D. и Barry Connors, Ph.D., показывают, что соматосенсорная Часть РНН разделена на две функционально разные подсхемы. Каждый имеет свои типы генетически определенных нейронов, которые топографически сегрегированы, физиологически различны и взаимно соединяются с независимыми таламокортикальными ядрами через динамически расходящиеся синапсы.

«Эти результаты дают фундаментальное представление о том, как подсети нейронов TRN могут по-разному обрабатывать различные классы таламической информации», — сказал Круикшанк. «Генетические различия добавляют некоторый интерес к нашим основным открытиям, потому что они позволят использовать новые мощные оптогенетические и хемогенетические стратегии для изучения поведенческих и перцептивных функций этих подсистем TRN. Долгосрочная цель для многих из нас, работающих в этой области, состоит в том, чтобы научиться как TRN организует поток информации в и из неокортекса, направляя внимание на важные стимулы и подавляя отвлекающие факторы. Если такое понимание в конечном итоге достигается, это может помочь прояснить, как теряется сознательное сознание во время эпилепсии — эпилепсии отсутствия — что критически затрагивает TRN. «

Круикшанк является доцентом в Университете Алабамы на кафедре нейробиологии Бирмингема. Экспериментальная работа была проделана в Университете Брауна, Провиденс, штат Род-Айленд, где Круикшанк был профессором исследовательского трека до присоединения к UAB в ноябре прошлого года.

В некоторых деталях исследования исследователи впервые обнаружили, что соматосенсорная TRN имеет два набора нейронов. В центральном ядре TRN находятся нейроны, которые экспрессируют белок кальбиндина и мРНК. Это ядро ​​окружено оболочкой нейронов, которые экспрессируют белок соматостатина и мРНК.

Есть также два соматосенсорных таламокортикальных ядра, то есть ядра, которые передают сенсорную информацию от таламуса к неокортексу. Один из них представляет собой вентральное заднее ядро ​​первого порядка, или VP, а другой — заднее медиальное ядро ​​таламуса высшего порядка, или POM. Эти два ядра посылают различную информацию разным неокортикальным мишеням, а также отправляют коллатеральные аксоны в TRN. Таким образом, исследователи стремились прояснить организацию этих цепей, сосредоточив внимание на том, как таламокортикальные ядра первого и высшего порядка взаимодействуют с двумя подтипами нейронов TRN. «Это важно для понимания обработки таламической информации», — сказал Круикшанк.

Круикшанк и его коллеги использовали метод прослеживания антероградного белка с канодеропсином и желтым флуоресцентным белком из VP или POM, чтобы сопоставить их входные данные с TRN. Они обнаружили резкую анатомическую сегрегацию проекций, которая выровнялась с сегрегацией типов клеток TRN — аксоны VP создавали прочные синаптические связи с клетками в богатой кальбиндином центральной зоне TRN; Аксоны POM синапсуются с клетками по соматостатин-плотным краям. Сегрегированные проекции были в значительной степени реципрокными — то есть два типа клеток TRN преимущественно ингибировали те же самые таламокортикальные ядра, которые их приводили.

Далее исследователи показали, что подсхемы TRN имеют функционально разные физиологические механизмы, которые приводят к четкой обработке. «Наши эксперименты показали, что центральные и краевые клетки по-разному трансформируют свои нативные возбуждающие таламические входы в отличные пиковые выходы за счет различий как в динамике своих синаптических входов, так и в их собственном разрыве», — сказал Круикшанк. «Мы были заинтригованы тем, что шаблоны отклика TRN, по-видимому, соответствовали типам информации, передаваемой в двух подсхемах. Первичные центральные ячейки имели сильный, но кратковременный всплеск — идеальный для обработки дискретных сенсорных событий. Отклики краевых ячеек были более стабильными и устойчивый — в соответствии с распределенными по времени сигналами высшего порядка, интегрированными из нескольких источников.

Когда исследователи посмотрели на визуальный TRN, они обнаружили подсхемы, похожие на соматосенсорные TRN. Это, в свою очередь, предполагает, что исследователи говорят, что первичное центральное ядро, окруженное краевыми нейронами высшего порядка, может быть широко распространенным мотивом TRN.

Полученные данные ставят под сомнение давнюю гипотезу о том, как TRN реализует свою роль в качестве привратника потока информации. «Было высказано предположение, что запрещающие перекрестные помехи между отдельными цепями таламуса могут позволить им регулировать друг друга локально», — сказал Круикшанк. «Однако резкая и взаимная сегрегация подсхем, которые мы наблюдали, позволяет предположить, что внутриталамическое перекрестное взаимодействие может играть незначительную роль, и, возможно, нам следует обратиться к другим механизмам межсистемного регулирования».

«Эта работа Скотта Круикшанка разделяет мешки нервных клеток, которые в противном случае перемешиваются, на элегантные подсхемы, выполняющие различные функции с различными свойствами и проекциями», — сказал Крейг Пауэлл, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой нейробиологии в UAB. «Результаты помогают нам лучше понять, как мозг обрабатывает различные типы сенсорных входов. TRN является ключевой областью мозга, ответственной за приступы детского возраста, называемые отсутствием судорог, поэтому эта работа может помочь определить новые методы лечения этой детской эпилепсии, которая является обычной в расстройствах нервного развития и находится в центре внимания Civitan International Research Center в UAB. «

Поддержка поступила от грантов Национального института здравоохранения NS100016 и GM103645, а также грантов Национального научного фонда 1738633, 1058262 и 1632738.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Алабамы в Бирмингеме . Оригинал написан Джеффом Хансеном. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Роза И. Мартинес-Гарсия, Беттина Фолькер, Джулия Б. Зальцман, Саундра Л. Патрик, Таня Р. Стивенс, Барри В. Коннорс, Скотт Дж. Круикшанк. Два динамически различных контура приводят к торможению в сенсорном таламусе . Природа , 2020; DOI: 10.1038 / s41586-020-2512-5