Circuitos Neuronales

Escuela "José A. Balseiro" 2014
Modelado en Neurociencias
Instituto Balseiro - Centro Atómico Bariloche
San Carlos de Bariloche, 6 al 31 de octubre de 2014
Sinapsis y Circuitos neuronales
Los 1500g de tejido gelatinoso que encontramos debajo de nustro cráneo conforman el
procesador de datos más complejo que existe en la Tierra.
Percibir el medioambiente – sentidos
Actuar en consecuencia – aprendizajes – respuestas motoras – comp adaptativos
Cognición - En nuestro cerebro está nuestra identidad, memorias, vivencias, sentimientos
CIRCUITOS NEURONALES
100.000.000.000 de neuronas
Cada neurona 10.000 sinapsis
Organización circuital
Conexiones intra- e inter-circuitales
A map of neural circuits in the human brain.
Image: Human Connectome Project
La unidad fundamental de los circuitos son las neuronas.
Las cuales se interconectan entre sí mediante sinapsis
COMUNICACIÓN ENTRE NEURONAS:
SINAPSIS
Eléctrica
(analógica)
Química
(digital)
Sinapsis química: liberación vesicular de NT
Receptores metabotrópicos
El neurotransmisor se une al R y activa cascada de segundos mensajeros
Receptores ionotrópicos:
Los R son canales. Cuando unen el NT abren un poro selectivo por el cuál sólo pasa un
determinado tipo de ión (en base a carga y tamaño)
El flujo del ión: entrada vs salida va a ser determinado por el gradiente electroquímico
Mas de un tipo de R x neurotransmisor: DIVERSIDAD
Liberación cuántica de neurotransmisor
Registro de actividad espontánea
Liberación estocástica de vesiculas con
neurotransmisor de axones presinápticos
Registro con bajo
Ca2+ extracelular (0.5 mM)
Registro con Ca2+ extracelular fisiológico (1.5 mM)
TENEMOS SINAPSIS EXCITATORIAS E INHIBITORIAS
CÓMO INTEGRAN LAS NEURONAS LA SUMA DE ESTÍMULOS?
EPSC – EPSP
IPSC - IPSP
Potencial de Acción:
Respuesta todo o nada
YA SABEMOS CÓMO SE COMUNICAN LAS NEURONAS
PERO.... Cómo se procesa la información en el cerebro?
Circuitos neuronales
Distribución de información a otros circuitos
Modificar el patrón de información
Establecer respuestas coordinadas
INPUT
Stimuli
OUTPUT
Behaviour
Cómo se procesa la información en el Sistema Nervioso Central?
Podemos pensar en el SNC como un conjunto de circuitos eléctricos interconectados
Neuroanatomía de un circuito
neuronal
Conocer los microcircuitos
Modelo eléctrico del circuito neuronal
Los circuitos se interconectan para procesar una función:
Circuitos involucrados en regular la osmorregulación
Conocer de qué manera se conectan entre sí los microcircuitos
Estos circuitos se especializan en:
recibir información
(input)
procesarla
(integración)
enviar una respuesta en consecuencia (output)
Cada tipo de información entra por una vía (circuito), estos
cruzan información entre sí que es integrada en circuitos
complejos (ej: tálamo, corteza) y la respuesta evocada puede
involucrar la activación de múltiples circuitos.
Para entender un circuito neuronal tenemos que saber dónde y cómo se procesa la
información en el Sistema Nervioso
CIRCUITO SIMPLE
Ejemplo reflejo extensor
CIRCUITO COMPLEJO
Ejemplo: Codificación de memorias episódicas
Objeto/persona + contexto + tiempo = episodio
Nuestro cerebro no es una masa homogénea de neuronas
Tenemos decenas de tipos neuronales que se ordenan en circuitos complejos
Cómo podemos clasificar a estas neuronas?
En función de la función en el circuito:
EXCITATORIAS
INHIBITORIAS
DE PROYECCIÓN
SENSORIALES
MODULATORIAS
INTERNEURONAS
MOTORAS
PARA ENTENDER COMO PROCESA INFORMACIÓN UN CIRCUITO, TENEMOS QUE
SABER QUÉ COMPONENTES TIENE Y CÓMO SE CONECTAN ENTRE SÍ.
Neuronas principales o de proyección
LOS AXONES PROYECTAN FUERA DE LA REGIÓN CEREBRAL DONDE RESIDE EL SOMA.
NEURONAS ENCARGADAS DE CONTACTAR
MICROCIRCUITOS ENTRE SÍ.
- Dentro del mismo hemisferio
- Hacia el hemisferio contralateral
- Hacia fuera de la corteza
GIRO DENTADO DEL HIPOCAMPO
Neurona granular del giro dentado:
proyecta hacia CA3
Diferentes interneuronas
del giro dentado
Una interneurona es capaz de contactar una
gran proporción de targets
LOS MICROCIRCUITOS DEL SNC SUELEN SER COMPLEJOS
Ej CA1: neurona principal → neurona piramidal (excitatoria)
Interneuronas: más de 20 tipos de interneuronas
Interneuronas:
RECIBEN INFORMACIÓN LOCAL O DE
OTRAS ÁREAS DEL SNC Y REGULAN LA
ACTIVIDAD DE LOS MICROCIRCUITOS
Pueden ser excitatorias o Inhibitorias
dependiendo de:
Neurotransmisor (ej: GABA-glu)
Receptor (ej: D1-D2)
Driving force (ej: KCC1-NKCC2)
La liberación de GABA de una interneurona puede ser E o I
Acción de GABA: despolarizante, hyperpolarizante y shunting
GRADIENTE
ELECTROQUÍMICO
Ej: GABA ----> RGABA-A en pyr
Vr
Estimulo IN – libera GABA – inpacta en RGABA-A – mido IPSC en pyr
Vth
Circuitos Feedfordward
Disparo de PA
IPSC
EPSC
Inhibición rápida: Balance entre E/I regula si la neurona va a disparar o no.
De qué le sirve a un circuito tener FFI?
Temporal fidelity of excitatory transmition
Ctrl
Bic
Coincidence detection
Circuitos Feedback
Feedback Inhibition Implica:
2 ms de syn excit
3 ms integración de mb y spiking
2 ms syn excit a IN FB
3 ms de integración IN y spiking
2 ms syn inhib a PC
Inhibición lenta – ocurre luego del disparo de PA
Importante para regular si la neurona vuelve a disparar 2do AP
De qué le sirve a un circuito tener FBI?
Sincronización de actividad neuronal
Transient excitation of parvalbumin-expressing
interneurons leads to a depolarization of many
interneurons, which are themselves reciprocally
interconnected through gap junctions and
chemical GABAergic synapses.
Electrical synapses are important for the
synchronization of network activity because they
rapidly propagate activity.
Conversely, mutual inhibition through chemical
synapses is a crucial determinant of the network
frequency, as the duration of inhibitory postsynaptic
potentials determines the dominant oscillation
frequency.
The resulting rhythmic inhibitory postsynaptic
potentials can synchronize the firing of a large
population of pyramidal neurons as the axon of an
individual GABAergic neuron makes multiple
postsynaptic contacts onto several pyramidal cells.
Neuronas moduladoras
Actúan modulando las propiedades eléctricas de la neurona postsináptica
(cambios en excitabilidad de membrana)
o pueden actuar a nivel presináptico modulando la liberación de
neurotransmisor.
Por lo tanto modulan la transmisión de información.
Cómo estudiamos la función sináptica?
Electrofisiología
Immaging
Registros electrofisiológicos
Nos permiten medir cambios en potencial eléctrico o corrientes que circulan a
través de un circuito, una neurona e incluso un canal único.
- Single channel
- Single cell
Patch-clamp: estudio circuital
Estimulación de vía aferente
Doble patch: control y registro recíproco
Estudio de inputs: E vs I
Registros electrofisiológicos
Nos permiten medir cambios en potencial eléctrico o corrientes que circulan a
través de un circuito, una neurona e incluso un canal único.
- field recording
fiber volley
- Multi Unit Activity
Estudio de circuitos in vivo: ej place cells
En tejido vivo (ex vivo): Podemos estudiar la fisiología neuronal y circuital
en un determinado estadio de maduración de la neurona
Estudio a nivel poblacional de la actividad neuronal en tejido vivo
Immaging de Ca2+: Compuestos que al unir Ca2+ fluorecen
Neurona en reposo: bajo Ca2+ intracelular
Potencial de acción: se abren canales de Ca2+ voltaje-dependientes
Las neuronas activadas se PRENDEN
Immaging de Ca2+: activación de poblaciones de DGCs en rebanadas de
hipocampo
F/Fo: se calcula el cambio en fluorescencia respecto del basal
Esto refleja disparo de PA?
El F representa el disparo de
PA
Hasta acá vimos dos maneras de estudiar la conexión entre diferentes
regiones o neuronas del cerebro:
- doble patch
- estimular vía aferente
Limitaciones:
- doble patch: hay que encontrar el par de neuronas conectado.
Muy tedioso y time consuming.
- estimulación con electrodo: Se estimulan múltiples axones. Puede haber
contaminación de vías aferentes, estimulación directa de neuronas
Poco específico. Solo se puede estimular cerca del área de registro.
OPTOGENETICA
Control de la actividad neuronal mediada por pulsos de luz
Channelrhodopsin-2
Canal cationico
activado por luz
azul  480 nm
El gen fue clonado del alga verde
Chlamydomonas reinhardtii
Su corriente es despolarizante. En neuronas que expresan
ChR2, breves pulsos de luz azul pueden causar el disparo de
PA con precisión de milisegundos.
Del 2005 a la fecha, más de 1300 trabajos de optogenética en neurociencias
2005
Solid symbols responsive neurons
Open symbols indicate cells that did not show EPSCs.
Triangles, pyramidal cells; diamonds, stellate cells; blue circles, fast-spiking interneurons.
Mediante optogenética podemos controlar la actividad de
neuronas y mapear circuitos en rebanadas de cerebro
También se puede controlar la actividad neuronal in vivo...
En este trabajo los autores buscan responder si:
- La actividad de las neuronas AGRP es suficiente para evocar ingesta
- Si la supresión de la vía de melanocortina es requerida para la evocación del
comportamiento de ingesta
Control de la ingesta
El modelo a testear
Nucleo
paraventricular
– ingesta
++ ingesta
Grelina +
Leptina Insulina -
Leptina +
Insulina +
Nucleo
arcuato
Estrategia: activar específicamente neuronas AGRP o POMC en el ARC
mediante la combinación de optogenética y ratones transgénicos
Sistema FLEX para
prendido de ChR2
POMC-cre mice
Promotor X – CRE – YFP
ChR-2 - cherry
AGRP-cre mice
Control en slices de la actividad de neuronas AGRP y
POMC
Registros postsinápticos estimulando fibras cherry
+ en el PVN
Registro en neuronas cherry + del ARC
Figure 1_ AGRP neurons are sufficient to evoke voracious food consumption
in well-fed mice.
Ensayo de ingesta: medido al inicio de la etapa diurna
Figure 4 POMC neurons inhibit food intake and body weight through
melanocortin receptors.
Para ver cambios en disminucion de ingesta, miden ingesta al inicio de
la etapa nocturna
Ahora podemos ir de neurona específica en un circuito al comportamiento
Quién se conecta con quién?
Otra manera de estudiar circuitos es mediante marcadores moleculares:
Ej: virus de la Rabia
Se pasa de neurona a neurona de manera retrógrada por las sinapsis
X = reportero + EnvA
+
Lentivirus, adenovirus o retrovirus
Promotor
específico
GlicoProt G
Solo expresan
glicoprot G y TVAR
(no infect x RABV)
Expresan
glicoprot G y TVAR
+ Reportero del
RABV
(postsinápticas)
Solo reportero RABV
(son las presinápticas)
RECONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS NEURONA A NEURONA
Serial EM reconstruction
(grupo de neuronas de somatosensorial cortex)
Hasta acá llegamos hoy.
Entender cómo se conectan y funcionan los circuitos neuronales nos abre las puertas para
entender como funciona la nuestro cerebro.