Revelan descubrimiento fundamental sobre las neuronas corticales

12 de diciembre 2014 

La funcionalidad de las neurona inhibitorias no es una propiedad inmutable de las células corticales, sino una consecuencia de la dinámica de redes más complejas. Los dos tipos principales de neuronas en la corteza cerebral del cerebro están conectados por circuitos corticales intrincados que procesan la información. Las neuronas excitadoras, que comprenden 80 por ciento de todas las neuronas en esta región, aumentan la actividad en las células diana. El otro 20 por ciento de las neuronas son inhibitorias, produciendo el efecto contrario. Las neuronas inhibitorias (interneuronas) han sido reconocidas como fundamentales para la comprensión de los distintos tipos de procesamiento de la información. Ciertos subtipos específicos de interneuronas pueden regular la ganancia de la respuesta (el grado de reacción a los estímulos) en las neuronas excitatorias, o la selectividad del tipo de respuesta en las células diana. En un nuevo estudio del 11 de diciembre aparecido en Nature Communications, Sami El-Boustani y Mriganka Sur del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria sugieren la hipótesis de que un tipo particular de interneurona puede influir en las respuestas de una manera que es dependiente del contexto. 

La aritmética controla la respuesta

Las neuronas inhibidoras de la corteza visual usan la división y la resta para el control de los cálculos realizados por sus células diana. Varios estudios previos sugirieron que una de las clases bien definidas de interneuronas, las que expresan la parvalbúmina (PV +), regulan la ganancia de respuesta a través de la inhibición por división, mientras que el otro grupo importante, las células de la somatostatina positivas (SOM +), controlan la selectividad en la espuesta a través de la inhibición sustractiva. La inhibición por división puede ocurrir durante una serie de funciones, entre ellas la atención dirigida visual, la orientación, la integración multisensorial, y la estimación de valor. La inhibición sustractiva se cree que agudiza la selectividad neuronal, posiblemente aumentando la capacidad de discriminación y, por tanto, tal vez la mejora del rendimiento del comportamiento. Con base en los hallazgos de investigaciones anteriores, estas funciones se pensaba que eran propiedades nativas de estos tipos de células, con base en la estructura, las conexiones y la biofísica. 

Técnicas innovadoras producen nuevos hallazgos

Estudios más recientes, incluyendo un examen en profundidad de El-Boustani y Sur, indican que las células SOM + en particular, son un componente clave de los mecanismos subyacentes que determinan la funcionalidad. Con el fin de evocar diferentes dinámicas de respuesta en las interneuronas e investigar la naturaleza de la inhibición, los neurocientíficos del Instituto Picower emplearon "una combinación innovadora de nuevos estímulos visuales, como la precisa estimulación optogenética de un solo pulso, y la grabación a gran escala a través de imágenes de calcio de dos fotones de las respuestas de las neuronas diana en ratones ", Utilizando brevemente destellos de estímulos visuales y pulsos cortos, en lugar de activación optogenética prolongada, los investigadores fueron capaces de definir los tiempos de respuesta de las neuronas PV + y SOM + en comparación con sus células diana, así como aislar el efecto inhibidor de estos dos tipos de neuronas. La imagen muestra las neuronas de la corteza visual primaria de un ratón despierto.

El-Boustani, un becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Sur, que dirigió el estudio, fue capaz de demostrar que las neuronas SOM + pueden realizar ya sea la inhibición por división y regular la ganancia de respuesta o la inhibición por sustracción y controlar la selectividad de la respuesta. Él encontró que cuando la estimulación activa las interneuronas SOM + al mismo tiempo que sus células diana, como es el caso cuando se sondeó con grandes estímulos visuales, las respuestas se dividen. Cuando la activación de las células diana se produce en otro momento - antes de responder a pequeños estímulos visuales - las SOM + restan respuestas. "Así que la funcionalidad neuronal es dinámica; se rige por el disparo de la coordinación y la superposición de tiempos de respuesta en los circuitos y sus células diana ", explica El-Boustani. La habilidad de los científicos del MIT para demostrar conmutación dependiente de la respuesta dramática y distinta en el cerebro vivo sugiere que la funcionalidad interneuronal no es una propiedad inmutable de cada tipo de células, sino una consecuencia de la dinámica más complejas dentro de las redes corticales. Las neuronas inhibitorias corticales no sólo median el procesamiento de la información sino que también juegan un papel fundamental en los trastornos cerebrales como el autismo, la esquizofrenia y la epilepsia. Este descubrimiento aporta importantes conocimientos para mejorar la comprensión de la funcionalidad normal y anormal del cerebro.

Traducido de http://neurosciencenews.com/cortical-interneurons-electrophysiology-1620/

About this electrophysiology research

Contact: Najat Kessler – MIT
Source: MIT press release
Image Source: The image is credited to Sami Elboustani and is adapted from the MIT press release
Original Research: Full open access research for “Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications. Published online December 11 2014 doi:10.1038/ncomms6689

Open Access Neuroscience Abstract

Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo

In the visual cortex, inhibitory neurons alter the computations performed by target cells via combination of two fundamental operations, division and subtraction. The origins of these operations have been variously ascribed to differences in neuron classes, synapse location or receptor conductances. Here, by utilizing specific visual stimuli and single optogenetic probe pulses, we show that the function of ​parvalbumin-expressing and ​somatostatin-expressing neurons in mice in vivo is governed by the overlap of response timing between these neurons and their targets. In particular, ​somatostatin-expressing neurons respond at longer latencies to small visual stimuli compared with their target neurons and provide subtractive inhibition. With large visual stimuli, however, they respond at short latencies coincident with their target cells and switch to provide divisive inhibition. These results indicate that inhibition mediated by these neurons is a dynamic property of cortical circuits rather than an immutable property of neuronal classes.

“Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications doi:10.1038/ncomms6689.