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前额叶PV细胞的共同节拍,藏在更快的振荡里

Frontiers in cellular neuroscience · 2020-11-25

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Frontiers in cellular neuroscience · 研究前沿

前额叶PV细胞的共同节拍,藏在更快的振荡里

小鼠前额叶PV细胞随清醒和睡眠状态呈现不同放电模式,却都在受测清醒与慢波睡眠中偏向高频振荡的特定相位。

原论文Figure 1B单一合并荧光视野局部:PV相关标记细胞的胞体与神经突起

一群细胞都带有PV标记,它们会不会像同一支乐队,总以相同方式演奏?2020年11月25日发表于 Frontiers in Cellular Neuroscience 的小鼠研究,在自然清醒和睡眠中记录前额叶PV中间神经元,发现这些细胞的放电快慢可以分成不同模式。但当研究转向放电发生的时间位置,差异之外又出现共同点:在活跃清醒和慢波睡眠中,受记录细胞都与局部高频振荡紧密耦合。细胞发放多少次,与它踩在什么节拍上,原来是两件相关却不同的事。

关键发现

受记录PV细胞按状态相关放电分成三组,但三组与高频振荡的耦合强度未见显著差别;增强PV活动会明显压低局部锥体细胞放电,场电位功率的变化则较温和。

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同一个分子标记,三种状态相关模式

PV细胞是皮层抑制性网络的重要组成,常被放在一起讨论。研究跟随的是来自十只小鼠的十八个已识别PV细胞,让同一细胞经历活跃清醒、安静清醒、快速眼动睡眠和慢波睡眠,比较它在不同状态中的放电变化。

其中六个细胞在活跃清醒时放电更快;八个呈现活跃清醒和快速眼动睡眠阶段较高的模式;另外四个在四种状态间没有显著放电率差别。同样的PV身份之下,细胞对状态的响应并不整齐划一。

这些分组来自受测细胞的活动特征。它们把群体内部的差别显露出来,也提示理解抑制性网络时,仅知道一个细胞带有什么标记,还不够知道它在何时更活跃。

原论文图 2同一个分子标记,三种状态相关模式
同一个分子标记,三种状态相关模式
Figure 2:十八个PV细胞按状态相关放电模式分为三组,第三组的状态间放电率比较未达显著。
来源:Yao Y et al. · Frontiers in cellular neuroscience · CC BY
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放电快慢之外,还要看踩在哪个相位

局部场电位反映周围神经活动共同形成的电信号,其中可以同时出现不同快慢的振荡。相位耦合问的是:细胞放电是否更常落在一个振荡周期的某个位置。就像同样拍手十次,可以杂乱发生,也可以总在节拍的相近位置响起。

活跃清醒时,十八个受记录PV细胞都与高频振荡呈显著相位耦合。部分细胞也与慢、快gamma振荡耦合,多数细胞与theta的耦合则不显著。比较耦合强度后,高频振荡的关系更突出,结果并不是PV细胞完全不跟随gamma。

原论文图 3放电快慢之外,还要看踩在哪个相位
放电快慢之外,还要看踩在哪个相位
Figure 3:活跃清醒中PV放电与高频振荡的相位关系更强,部分细胞也与gamma相位耦合。
来源:Yao Y et al. · Frontiers in cellular neuroscience · CC BY
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进入慢波睡眠,共同节拍仍在

慢波睡眠中,场电位的慢节奏更醒目,高频活动仍夹在其中。受记录PV细胞既与delta慢节律耦合,也与高频振荡耦合;后者的相位偏好和一致性更强。睡眠背景改变了,放电对快速节拍的偏好仍然清晰。

在清醒和慢波睡眠中,这些细胞都更偏向高频周期低谷附近的相位放电。它们并不需要在每一个周期都发出脉冲,而是在发生放电时呈现稳定的时间偏向。这样的关系把单个细胞的事件,与局部网络的连续活动联系起来。

原论文图 4进入慢波睡眠,共同节拍仍在
进入慢波睡眠,共同节拍仍在
Figure 4:慢波睡眠中,受记录PV细胞同时耦合delta和高频振荡,高频相位关系更强。
来源:Yao Y et al. · Frontiers in cellular neuroscience · CC BY
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放电率各有偏好,时间关系却可以共享

按放电率划分的三组细胞,与高频振荡的相位一致性没有显著组间差别。活跃清醒如此,慢波睡眠也如此。细胞在某个状态中更忙或更安静,并不自动决定它与网络节奏的联系是否更紧密。

这让PV群体显出两层组织:一层是不同细胞随状态改变的放电量,另一层是它们共享的时间参照。将两层分开观察,就能看到异质性与同步关系如何同时存在,而无需把所有细胞压成一条平均曲线。

增强PV活动,单细胞与场电位反应不同

研究随后增强PV细胞活动。受记录PV细胞先出现明显放电增加,之后有的维持较高水平,有的逐渐回落;与此同时,附近锥体细胞群的放电显著降低,符合PV网络提供抑制性影响的作用。

场电位的变化却温和得多。在慢波睡眠的功率比较中,gamma和高频成分小幅下降,delta没有显著变化。压低局部锥体细胞放电,并没有让所有频段一起大幅减弱。

单个细胞的脉冲与场电位所汇集的网络活动,本来就不是同一尺度。局部细胞受影响的范围、不同信号来源的叠加,都可能使两种观察呈现不同幅度,也提醒人们同时关注细胞事件与网络背景。

原论文图 5增强PV活动,单细胞与场电位反应不同
增强PV活动,单细胞与场电位反应不同
Figure 5:增强PV活动伴随锥体细胞放电明显降低;慢波睡眠中gamma和高频功率小幅下降,delta比较未达显著。
来源:Yao Y et al. · Frontiers in cellular neuroscience · CC BY
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一个时间线索,尚待连接到具体功能

高频振荡也让人联想到海马涟漪,但相近的节奏不等于相同的生成机制。这项研究记录的是前额叶局部细胞与振荡的联系,并未直接测量跨脑区记忆传递,或在注意、记忆任务中检验这些细胞的行为作用。

小鼠自然清醒与睡眠中的结果,为理解抑制性细胞如何嵌入网络节奏提供了更细的画面。高频节拍从哪里来,PV细胞是在跟随、参与塑造,还是两者兼有,以及三种活动模式怎样对应更细的细胞身份,都成为可以继续追问的问题。

论文信息

Yao Y, Wu M, Wang L, Lin L, Xu J.
Phase Coupled Firing of Prefrontal Parvalbumin Interneuron With High Frequency Oscillations
Frontiers in cellular neuroscience · 2020-11-25
DOI: 10.3389/fncel.2020.610741