Один мощный тип трансформации возникает в результате взаимодействия между возбуждающими нейронами, передающими 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 типы ячеек входят в TRN, как они организованы и как функционируют.
Теперь статья, опубликованная в журнале Nature, отвечает на эти вопросы. Исследователи во главе с автором-корреспондентом Скоттом Крукшенком, Ph.D., и соавторы Роза I. Мартинес-Гарсия, доктор философии.D., Беттина Фёлькер, Ph.D., и Барри Коннорс, доктор философии.D., показывают, что соматосенсорная часть TRN разделена на две функционально различные подсхемы.
Каждый имеет свои собственные типы генетически определенных нейронов, которые топографически разделены, физиологически различны и реципрокно связаны 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 Крукшанк. «Генетические различия добавляют некоторого волнения к нашим основным открытиям, потому что они позволят использовать новые мощные оптогенетические и хемогенетические стратегии для исследования поведенческих и перцептивных функций этих подсетей TRN. Долгосрочная цель для многих из нас, работающих в этой области, – узнать, как TRN управляет потоком информации в неокортекс и из него, направляя внимание на важные стимулы и подавляя отвлекающие факторы.
Если такое понимание в конечном итоге будет достигнуто, это может помочь прояснить, как сознательная осведомленность теряется во время формы эпилепсии – абсансной эпилепсии, которая критически затрагивает TRN."
Крукшанк – доцент кафедры нейробиологии Университета Алабамы в Бирмингеме. Экспериментальная работа проводилась в Университете Брауна, Провиденс, Род-Айленд, где Крукшанк был профессором исследовательского направления до прихода в UAB в ноябре прошлого года.
В некоторых деталях исследования исследователи сначала обнаружили, что соматосенсорная TRN имеет два набора нейронов.
В центральном ядре TRN находятся нейроны, которые экспрессируют белок кальбиндин и мРНК. Это ядро окружено оболочкой нейронов, которые экспрессируют белок соматостатин и мРНК.
Также есть два соматосенсорных таламокортикальных ядра, то есть ядра, передающие сенсорную информацию от таламуса в неокортекс. Одно – это вентрально-заднее ядро первого порядка, или VP, а другое – заднее медиальное таламическое ядро высшего порядка, или POM.
Эти два ядра отправляют различную информацию различным целям неокортекса, а также отправляют коллатеральные аксоны в TRN. Итак, исследователи стремились прояснить организацию этих цепей, сосредоточившись на том, как таламокортикальные ядра первого и высшего порядка взаимодействуют с двумя подтипами нейронов TRN. «Это важно для понимания обработки таламической информации», – сказал Крукшанк.
Круикшанк и его коллеги использовали метод антероградного отслеживания флуоресцентного белка родопсин-желтый флуоресцентный белок от VP или POM для сопоставления своих входных данных с TRN. Они обнаружили резкую анатомическую сегрегацию выступов, которая соответствовала сегрегации типов клеток TRN – аксоны VP установили прочные синаптические связи с клетками в богатой кальбиндином центральной зоне TRN; Аксоны ПОМ синапсируются с клетками вдоль краев, плотных соматостатин.
Сегрегированные проекции были в значительной степени взаимными, то есть два типа клеток TRN преимущественно подавляли одни и те же таламокортикальные ядра, которые управляли ими.
Исследователи также показали, что подсхемы TRN имеют функционально разные физиологические механизмы, которые приводят к разной обработке. «Наши эксперименты показали, что центральные и краевые клетки по-разному трансформируют свои собственные возбуждающие таламические входы в отдельные пиковые выходы за счет различий как в динамике их синаптических входов, так и в их внутренней взрывной способности», – сказал Крукшанк. "Мы были заинтригованы тем, что шаблоны ответов TRN, казалось, соответствовали типам информации, передаваемой в двух подсхемах.
Первичные центральные клетки имели сильные, но временные всплески – идеально для обработки дискретных сенсорных событий. Ответы краевых клеток были более стабильными и устойчивыми – в соответствии с распределенными во времени сигналами более высокого порядка, интегрированными из нескольких источников.
Когда исследователи посмотрели на визуальный TRN, они обнаружили подсхемы, похожие на соматосенсорный TRN. Это, в свою очередь, предполагает, говорят исследователи, что первичное центральное ядро, окруженное краевыми нейронами более высокого порядка, может быть широко распространенным мотивом TRN.
Полученные данные ставят под сомнение давнюю гипотезу о том, как TRN выполняет свою роль привратника информационного потока. «Было высказано предположение, что тормозящие перекрестные помехи между отдельными таламическими цепями могут позволить им регулировать друг друга локально», – сказал Крукшанк. «Однако наблюдаемая нами резкая и реципрокная сегрегация подсетей предполагает, что внутриталамические перекрестные помехи могут играть второстепенную роль, и, возможно, нам следует обратить внимание на другие механизмы межсистемной регуляции."
«Эта работа Скотта Круикшенка разделяет беспорядочный мешок нервных клеток на элегантные подсхемы, выполняющие различные функции с различными свойствами и проекциями», – сказал Крейг Пауэлл, M.D., Ph.D., кафедра нейробиологии UAB. "Результаты помогают нам лучше понять, как мозг обрабатывает различные типы сенсорной информации. TRN – это ключевая область мозга, отвечающая за приступы приступов в детстве, называемые абсансами, поэтому эта работа может помочь определить новые методы лечения этой детской эпилепсии, которая часто встречается при нарушениях нервного развития и находится в центре внимания Международного исследовательского центра Civitan при UAB."
Поддержка поступила из грантов Национального института здравоохранения NS100016 и GM103645 и грантов Национального научного фонда 1738633, 1058262 и 1632738.