Dynamics, mechanisms, and modulation of subthreshold electrical signalling in cortical neurons in vivo

Elektrisk aktivitet i hjernebarkens nevroner (nerveceller) og nettverk ligger til grunn for adferd og bevisste opplevelser. Vi studerer mekanismer som regulerer aktivitetsmønstrene i hjernebarkens nevrale kretser, og hvordan disse forandres når hjernens tilstand endres, f.eks. fra våken, bevisst tilstand til bevisstløs søvn og generell anestesi. Vi vet at slike endringer skyldes bl.a. kjemiske signalstoffer som modulerer (endrer) nevronenes egenskaper. Ofte moduleres ionekanaler (molekyler som leder ionestrømmer gjennom cellemembranen) som åpnes og lukkes av små endringer av cellens membranpotensial, under "terskelen" for nerveimpulsene («sub-terskel»). Vi og andre har tidligere studert slike mekanismer i isolerte hjerneskiver, blant annet hvordan signalstoffene noradrenalin og acetylkolin påvirker ionekanalene som regulerer rytmer (oscillasjoner) og impulsmønstre. I dette prosjektet vil vi også studere mekanismene i den intakte hjerne (in vivo) under våkenhet, søvn og anestesi, på flere nivåer og med ulike metoder (fra intracellulære målinger med patch clamp til måling av hjernebølger og matematiske modeller). Hittil i prosjektet har vi blant annet: (1) Oppdaget svakheter ved en vanlig metode for å måle elektrisk aktivitet i hjernebarkens celler in vivo; (2) Etablert intracellulære målinger («whole cell patch clamp») av elektriske signaler i intakt hjerne hos mus (in vivo), bl.a. av hva som skjer ved elektriske rytmer i hjernebarken under søvn og våkenhet («up- & down-states», UDS; «high-conductance state», HCS) som skyldes bombardement av signaler fra andre celler, etc.), langsomme etter-hyperpolariseringer («sAHP») osv. (3) Etablert, med grupper i bl.a. Sveits, bruk av store modeller av hjernens nettverk for å teste nøyaktig hvordan svake, «sub-terskel» ionestrømmer påvirker HCS, UDS etc. (4) Etablert metoder for å aktivere hjerneceller med lys (optogenetisk, med Channel Rhodopsin2, ChR2); (5) Oppdaget at en type ionekanaler(«D-kanaler») som åpnes «sub-terskel», endres sterkt når hjernen utvikles; (6) Oppdaget at to andre typer ionekanaler som åpnes «sub-terskel», («M-kanaler») og av kalsium (SK-kanaler) har komplementære funksjoner i visse celler i hjernebarken (DG-kornceller). (6) Oppdaget at «M-kanaler» også finnes i MEC-stjerneceller i hjernebarken og reguleres av signalstoffet acetylkolin. Dette var overraskende, da ledende forskere i USA ikke fant M-kanaler der, og interessant siden denne cellepopulasjonen omfatter «gitterceller» (grid cells; oppdaget av E. og MB Moser; Nobelpris 2015), og vi tidligere har vist at «M-kanaler» regulerer elektriske rytmer som kanskje danner grid-mønsteret. (7) Oppdaget, overraskende, at «M-kanalene» har ulike funksjoner i samme type pyramideceller i ulike deler hjernebarken: De er mye mer aktive «øverst» (dorsalt) enn nederst (ventralt) i hjernen. Siden disse kanalene demper epileptiske anfall, kan dette forklare hvorfor epilepsi oftere oppstår nederst i denne delen av hjernebarken. (8) Oppdaget at «sAHP-kanaler», som også virker «sub-terskel», også er mye mer aktive «øverst» enn «nederst» i hjernen, men i en annen celletype (DG-kornceller). Dette er overraskende, og tyder på et nytt prinsipp for regulering av hjernebarkens aktivitet. Siden sAHP-kanalene moduleres av signalstoffene (noradrenalin, acetylkolin, etc.) som regulerer våkenhet, søvn og anestesi, er dette av interesse for kontroll av bevissthetstilstanden. (9) Vi fant at sAHP ikke skyldes såkalte «IK-kanaler», som hevdet av en ledende gruppe i USA og dermed avkreftet den hypotesen. (10) Vi og andre har tidligere funnet at det er særlig mye «M-kanaler» i nervefibrene (aksonene) i hjernebarken, men det har vært en gåte hva de gjør der, og hvordan de påvirkes av signalstoffene som regulerer våkenhet og søvn. Vi tror at vi nå har funnet svaret på denne gåten, ved målinger direkte fra nervefibrene og matematiske modeller, og at «M-kanaler» er viktige ved skifter mellom våkenhet og søvn. (11) Oppdaget, i eksperimenter og matematiske modeller, at «sAHP-kanalene» regulerer hjernens elektriske rytmer mellom våkenhet og søvn, bl.a. at de under søvn demper «theta»-rytmen som er viktig for hukommelse og stedsans (bl.a. i gitterceller). (12) Oppdaget at Kv2-kanaler regulerer impulsmønsteret i MEC-stjerneceller (grid cells); (13) Etablert magnetstimulering (TMS) av hjernebarken med nøyaktig registering av hjernebølger (hdEEG) under våkenhet og søvn, in vivo, samt , og måling av endringer i dens tilstand og forbindelser ( «konnektivitet», kompleksitet, integrasjon, osv.). EEG og TMS er ikke-invasive metoder som kan brukes både hos dyr og mennesker. Basert på dette vil vi (i nytt EU-prosj.)sammenligne endringer hjernes i tilstand under våkenhet, søvn og anestesi hos dyr, mennesker og i store hjernemodeller.

A fundamental question is how neuronal mechanisms determine electrical signalling in cortical circuits, and how they are modulated in different behavioural states. Although only two ionic currents (fast Na+ and K+) are needed to generate action potential s, cortical neurons have many additional channel types operating in the subthreshold voltage domain. Although far smaller and slower han the fast spike currents, these subthreshold currents (or conductances) are apparently, according to brain slice data, highly important for synaptic integration, thus determining whether, when, and how often spikes are generated. However, in vivo intracellular recordings from cortical neurons in anaesthetized animals indicate that they are in a high-conductance state due to synaptic bombardment by the network. This would be expected to largely shunt the effects of the weaker intrinsic subthreshold currents, suggesting that the latter have little impact in vivo. This apparent paradox can only be resolved by directly exami ning the effects of intrinsic currents by intracellular recording in vivo. Because these properties may be altered by anaesthesia and behavioral state, these questions must be addressed by intracellular recording in unanestethized animals. Recent progres s now allows studies by whole-cell patch clamp recordings from awake, behaving mice, using blind patching or visually guided shadow-patching in head-restrained mice running on a spherical treadmill. We will establish these highly potent methods and use th em to study the subthreshold membrane potential dynamics of neocortical layer 5 and 2/3 pyramidal cells in visual and somatosensory cortex. Thus, we will address the high-conductance state paradox and other fundamental questions regarding the impact of su bthreshold ionic conductances involved in intrinsic subthreshold oscillations, resonance, after-hyperpolarizations, after-depolarizations, and other aspects of subthreshold dynamics in the intact cortex.