L’Institut de Neurobiologia de la Mediterranèa (INMED) és un centre compartit per l’INSERM i per la Universitat d’Ais-Marselha. En la seva recerca en neurociències ocupa un lloc central el concepte de plasticitat, tant referit a les sinapsis (les connexions entre neurones) com als circuits neuronals. Dins de l’INMED, l’equip de recerca de Jérôme Epsztein estudia la codificació neuronal de l’espai i de la memòria. El grup d’Epsztein se centra en l’estudi de l’hipocamp, nuclis del qual participen en la localització i la navegació en mamífers. Existeix un lligam entre la navegació espacial i la formació de la memòria episòdica. Un dels eixos de recerca del grup d’Epsztein és el paper de l’excitabilitat neuronal intrínseca en l’activació de neurones de l’hipocamp. Treballen amb models de rata i ratolí que els permeten registrar l’activitat de neurones individuals. Aquesta setmana publiquen a la revista eLife un article, amb Peter James Morgan de primer autor, on identifiquen el paper de Kv1.1 en la plasticitat homeostàtica ràpida de l’excitabilitat intrínseca en neurones piramidals CA1 de rates anestesiades. L’àrea CA1 de l’hipocamp conté neurones piramidals que reflecteixen la topologia dels espais amb els quals l’animal s’ha familiaritzat. En topar amb un nou ambient, hi ha un recrutament d’aquestes neurones per esdevindre “cèl·lules de lloc” del nou espai, i en aquesta selecció tendeixen a participar-hi més les neurones més excitables. Els diferents ambients amb els quals es familiaritza l’animal es representen per conjunts ortogonals de cèl·lules, amb la participació de mecanismes reguladors com la plasticitat dependent d’activitat de la excitabilitat intrínseca. Morgan et al. han seguit l’activitat de neurones piramidals CA1 de rates anestesiades. A través de la inducció de potencials d’acció poden modificar l’excitabilitat intrínseca d’aquestes neurones. Concretament, s’observa una depressió duradora i homeostàtica d’aquesta excitabilitat ja als pocs minuts. L’addició de dendrotoxina K, blocadora del canal Kv1.1, atenua aquesta depressió. Morgan et al. també estudien el fenomen en ratolins, i consideren que aquest mecanisme podria reduir la interferència en la memòria, aspecte necessari per a la navegació espacial.
Morgan et al. obtenien registres de neurones piramidals de l’àrea CA1 de l’hipocamp de rates anestesiades (A). Les neurones piramidals examinades (B) s’estructuren morfològicament en tres estrats. En C-H mostren l’excitabilitat d’aquestes neurones en diferents condicions
L’excitabilitat intrínseca en l’aprenentatge
Peter James Morgan i Jérôme Epsztein conceberen aquesta recerca. Morgan s’encarregà de l’obtenció de dades i del programari. En l’anàlisi formal i la investigació comptà amb el suport de Romain Bourboulou, Caroline Filippi i Julie Koenig-Gambini. Tots ells són membres de l’INMED i del Centre Turing de Sistèmas Vivents (CENTURI). Koenig-Gambini també és membre de l’Institut Universitaire de France. El projecte fou finançat a través de programes dirigits per Epsztein del Setè Programa Marc, de l’Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, de l’Agence Nationale de la Recherche i de la Region de Provença-Alps-Còsta d’Azur.
Morgan i Epsztein redactaren l’article, que trameteren a eLIFE el 3 de juliol del 2019. De l’edició se’n feu càrrec Eve Marder, de la Brandes University, i en foren revisors Inna Slutsky, de la Universitat de Tel Aviv, i Stefan Remy, de la Universitat de Bonn. L’article fou acceptat el 8 de novembre, i publicat el dia 27.
En parlar de plasticitat i aprenentatge/memòria pensem sovint en la plasticitat sinàptica, és a dir en la modificació del contacte entre neurones. Morgan et al., però, es refereixen en aquest treball a la plasticitat intrínseca d’una neurona, és a dir a modificacions en el seu grau d’excitabilitat. L’excitabilitat intrínseca de les neurones de l’hipocamp influeix en la seva tendència a incorporar-se en les xarxes que reprodueixen l’entorn espacial de l’animal. Ara bé, han d’haver-hi mecanismes reguladors addicionals que facilitin la formació de mapes de neurones ortogonals.
Un mecanisme regulador seria el balanç homeostàtic de l’excitabilitat intrínseca d’una neurona d’acord amb el seu historial d’excitació: aquest mecanisme homeostàtic fa que una neurona que dispari sovint tendeixi a reduir la seva excitabilitat, de manera que la freqüència d’excitació tendirà a minvar.
Però perquè aquest mecanisme regulador sigui efectiu en contextos d’aprenentatge cal que la resposta sigui ràpida, de l’ordre de segons o minuts. També caldria que el mecanisme fos mediat per canals de la zona axonal de la neuronal i no pas de la zona dendrítica.
Un model animal
El subjecte experimental foren rates mascles Wistar. Els animals eren mantinguts sota anestèsia amb fentanil, medetomidina i midazolam. A través d’una craniotomia s’accedia a l’hipocamp i s’hi instal·laven les pipetes i elèctrodes. Amb els elèctrodes cercaven neurones amb el patró d’activitat característica de CA1. En identificar la neurona se la col·locava sota una pipeta, i es procedia als diferents experiments.
En concloure els registres, les rates eren eutanasiades amb una perfusió transcardíaca de PFA al 4%. S’extreien els cervells per fer-hi una anàlisi histològica. Així hom pogué comparar les dades histològiques de 45 neurones que havien estat prèviament registrades amb els elèctrodes.
La inducció de la reducció homeostàtica de l’excitabilitat intrínseca de neurones piramidals CA1
S’obtingueren registres de 56 neurones piramidals CA1 diferents. Un primer experiment consistí en exposar aquestes neurones piramidals a esclats de freqüència theta (5 Hz). Aquesta exposició conduïa a l’excitació de 100 Hz de les neurones.
L’estimulació amb esclat theta (TBS) produïa en qüestió de minuts una reducció de l’excitabilitat intrínseca de les neurones. Es tracta d’una reducció homeostàtica, en el sentit que compensa l’excitació induïda per TBS. Es tracta també d’una reducció duradora i proporcionada també al nombre de potencials acció induïts durant el TBS.
Els mecanismes de la reducció homeostàtica de l’excitabilitat intrínseca
La reducció de l’excitabilitat intrínseca comporta una reducció de la resistència a entrades i un augment de la latència posterior al primer potencial d’acció. No s’observa una diferència significativa en el voltatge llindar de potencial d’acció.
La reducció de l’excitabilitat intrínseca depèn d’augments en el calci intracel·lular. Això explica com en els experiments fets en presència de BAPTA (un quelant de calci) el TBS no indueix una reducció de l’excitabilitat intrínseca.
En canvi, en experiments fets en presència de MK-801 (blocador dels canals de calci NMDAR), el TBS manté el seu efecte depressor de l’excitabilitat intrínseca. Morgan et al. dedueix que el calci intracel·lular implicat en la reducció homeostàtica de l’excitabilitat entraria pels canals dependents de voltatge i no pas pels canals dependents d’agonista NMDAR.
Altres experiments es feren en presència de ZD7288, un agent blocador del canal Ih. Malgrat la presència d’aquest blocador, el TBS continuava a exercir una depressió homeostàtica de l’excitabilitat intrínseca.
Una altra sèrie d’experiments fou realitzada en presència de dendrotoxina K, un agent blocador del canal Kv1.1. Aquest és un canal de potassi que contribueix al corrent ID que s’activa sota potencials de membrana inferiors al llindar d’excitació. En les neurones piramidals CA1, Kv1.1 en el segment inicial de l’axó. La dendrotoxina-K atenuava la reducció homeostàtica de l’excitabilitat intrínseca per TBS, si bé no l’eliminava del tot.
Un model de ratolí despert en realitat virtual
El grup d’Epsztein combina els seus estudis cel·lulars in vivo amb models amb animals desperts en realitat virtual. En aquest model, el ratolí es troba despert després d’una intervenció amb anestèsia per col·locar-hi elèctrodes en l’area hipocampal CA1, i és sotmès a entorns de realitat virtual. Morgan et al. per aquest treball fan una reanàlisi d’experiments previs en realitat virtual.
En aquests experiments els ratolins eren bé exposats a un entorn virtual que ja coneixien o a un de nou. En entorns virtuals nous, la taxa d’excitació neuronal disminuïa en el temps, i això Morgan et al. ho consideren compatible amb una disminució de l’excitabilitat intrínseca. Només dins de determinats camps hi havia un augment de la taxa d’excitació, associada al recrutament de neurones que serveixen per mapar el nou entorn.
Un mecanisme per contrarestar la interferència memorística
El TBS d’aquests experiments tindria un rol anàleg a l’excitació de les cèl·lules de lloc de l’hipocamp, és a dir les neurones que representen espacialment un entorn conegut per a l’animal. La reducció homeostàtica induïda pel TBS necessita, si més no parcialment, dels corrents de potassi del segment inicial de l’axó (Kv1.1). Aquest mecanisme redueix l’excitabilitat intrínseca sense afectar la integració sinàptica de la neurona: l’efecte es manifesta en els senyals eferents (axonals).
La reducció homeostàtica de l’excitabilitat ajudaria a concentrar l’activitat neural de l’hipocamp als camps neuronals actius. Morgan et al. pensen que aquest mecanisme ajudaria a la regulació de la codificació espacial en la CA1. La modulació de l’excitabilitat intrínseca no afectaria a l’aprenentatge codificat en les sinapsis, i permetria que noves neurones de l’hipocamp passessin a integrar-se en els camps actius que codifiquen nous entorns.
Lligams:
– Kv1.1 Contributes to a Rapid Homeostatic Plasticity of Intrinsic Excitability in CA1 Pyramidal Neurons in Vivo. Peter James Morgan, Romain Bourboulou, Caroline Filippi, Julie Koenig-Gambini, Jérôme Epsztein. Elife 8 (2019).
Des de la Mediterrània 