Мозг

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3417 (2022) Цитировать эту статью

8166 Доступов

2 цитаты

210 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на фундаментальную важность понимания электрической схемы мозга, наши знания о том, как нейронные связи перестраиваются при черепно-мозговой травме, остаются крайне неполными. Здесь мы используем визуализацию всего мозга с клеточным разрешением для создания карт всего мозга, входящих в тормозные нейроны, в мышиной модели черепно-мозговой травмы. Мы обнаружили, что соматостатиновые интернейроны превращаются в гиперсвязанные центры во многих областях мозга, с богатыми локальными сетевыми связями, но с уменьшенными входными сигналами на большие расстояния, даже в областях, не поврежденных напрямую. Потеря дальнодействующей информации не коррелирует с потерей клеток в отдаленных областях мозга. Интернейроны, трансплантированные в место повреждения, получают ортотопические локальные и дальние сигналы, что позволяет предположить, что механизм установления отдаленных связей остается нетронутым даже после тяжелой травмы. Наши результаты открывают потенциальную стратегию поддержания и оптимизации торможения после черепно-мозговой травмы, которая включает пространственную реорганизацию прямых входов в тормозные нейроны по всему мозгу.

Функция мозга зависит от чрезвычайно разнообразной группы тормозных интернейронов, которые контролируют вход и выход локальных сетей1,2,3. В коре головного мозга одна из крупнейших популяций интернейронов экспрессирует нейропептид соматостатин (SST)4,5,6. Эти клетки ингибируют дендриты и тем самым регулируют интеграцию глутаматергической энергии в локальные основные нейроны. Это наделяет их уникальной ролью в формировании синаптической пластичности, обучения и памяти7,8,9,10,11,12,13,14. Однако интернейроны SST являются одними из наиболее уязвимых к гибели клеток после черепно-мозговой травмы, и их потеря была хорошо документирована в экспериментальных моделях эпилепсии, черепно-мозговой травмы (ЧМТ) и болезни Альцгеймера15,16,17,18,19 и у людей20,21. В гиппокампе выжившие интернейроны SST получают больше возбуждающего импульса, формируют новые тормозные синапсы на глутаматергических нейронах и даже врастают в территории, которые они обычно не занимают22,23,24,25. Эта модель перестройки локальных цепей поднимает вопрос о том, приводит ли повреждение мозга к реорганизации межнейронных связей в гораздо большем масштабе.

Чтобы объективно рассмотреть эту возможность, мы воспользовались преимуществами ретроградной моносинаптической вирусной системы бешенства и усовершенствованными методами очистки тканей всего мозга для создания карт всего мозга прямого воздействия на интернейроны SST в мышиной модели очаговой ЧМТ. Мы обнаружили значительные количественные различия как в локальном, так и в дальнем воздействии на интернейроны SST гиппокампа в месте повреждения. Однако внутри самих удаленных входных областей потери нейронов не наблюдалось, а доля подтипов нейронов, нацеленных на стартовые нейроны, была стабильной. К нашему удивлению, мы обнаружили аналогичную картину реорганизации контуров вдали от травмы в префронтальной коре (ПФК), которая двунаправленно взаимодействует с гиппокампом26, но не была напрямую повреждена первоначальным повреждением. Предшественники интернейронов, трансплантированные в поврежденный гиппокамп, успешно установили соответствующие дальние связи; однако интернейроны, полученные из трансплантата, сохранили усиленный локальный сигнал, наблюдаемый после ЧМТ. Таким образом, наши эксперименты дают новое представление о крупномасштабном ремоделировании цепей после травмы головного мозга и позволяют предположить, что повреждение головного мозга, даже если оно ограничено очагами, оказывает гораздо более широкое влияние на функцию нейронных цепей во всем мозге, чем предполагалось ранее.

Несмотря на их важную роль в формировании локальной сетевой активности и памяти11,14, точный вклад всего мозга в интернейроны SST в зубчатой ​​извилине систематически не определен. Сначала мы количественно оценили плотность SST+ нейронов в хроническом периоде после ЧМТ, используя репортерных мышей, которые метят почти все интернейроны SST с помощью GFP27. Одностороннее контролируемое повреждение коры головного мозга (CCI) наносили молодым взрослым мышам на P60 (глубина удара 1,0 мм, 3,5 м с-1 и продолжительность 500 мс), а через восемь недель животных подвергали иммуноокрашиванию. Этот период соответствует времени, когда долгосрочная невропатология и поведенческие фенотипы хорошо известны. У всех мышей с повреждением головного мозга поражение представляло собой полость, проходящую через толщу неокортекса, и включало существенное искажение и истончение основных слоев клеток в гиппокампе (рис. 1а). Мы наблюдали снижение количества GFP+ клеток в воротах на ~65% (рис. 1b; дополнительные данные 1), что согласуется с кратковременной потерей интернейронов SST, о которой сообщалось в предыдущих исследованиях17,18.