[論文レビュー] AMPA, NMDA and GABAA receptor mediated network burst dynamics in cortical cultures in vitro

Heidi Teppola, Samora Okujeni+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、新生ラットの皮膚性皮質文化的なネットワークバーストダイナミクスを制御するAMPA、NMDA、GABAA受容体の異なる役割を調査する。多電極アレイ記録を用い、薬理学的遮断条件下で、AMPA受容体がバーストを開始し、NMDA受容体が持続的活動を維持し、GABAA受容体がAMPA駆動型バーストよりもNMDA駆動型バーストをより強く抑制することを示した。これは皮質ネットワークの興奮性における重要な調節階層を明らかにした。

ABSTRACT

In this work we study the excitatory AMPA, and NMDA, and inhibitory GABAA receptor mediated dynamical changes in neuronal networks of neonatal rat cortex in vitro. Extracellular network-wide activity was recorded with 59 planar electrodes simultaneously under different pharmacological conditions. We analyzed the changes of overall network activity and network-wide burst frequency between baseline and AMPA receptor (AMPA-R) or NMDA receptor (NMDA-R) driven activity, as well as between the latter states and disinhibited activity. Additionally, spatiotemporal structures of pharmacologically modified bursts and recruitment of electrodes during the network bursts were studied. Our results show that AMPA-R and NMDA-R receptors have clearly distinct roles in network dynamics. AMPA-Rs are in greater charge to initiate network wide bursts. Therefore NMDA-Rs maintain the already initiated activity. GABAA receptors (GABAA-Rs) inhibit AMPA-R driven network activity more strongly than NMDA-R driven activity during the bursts.

研究の動機と目的

• AMPA、NMDA、GABAA受容体が皮質文化的なネットワークバーストダイナミクスに果たす差別の的寄与を理解すること。
• 興奮性および抑制性受容体がネットワークバーストの開始、維持、伝播をどのように形作るかを特定すること。
• 受容体特異的薬理学的操作がバースト周波数および空間的・時間的募集パターンに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 新生ラットのネオコルチカル皮質を用いたin vitro皮質文化的なネットワーク活動を、59電極の平面アレイを用いて記録した。
• AMPA、NMDA、GABAA受容体を特異的に遮断または活性化する薬理学的薬剤を用い、それらの寄与を分離した。
• ベースライン、AMPA-R、NMDA-R、および脱抑制状態の各条件下で、バースト周波数およびネットワーク全体の活動レベルを比較した。
• バースト中の電極の募集の空間的・時間的パターンを分析し、ネットワーク同期ダイナミクスを評価した。
• ベースライン活動と各薬理学的誘導状態との間で統計的比較を行い、ネットワーク行動における顕著な変化を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMPA受容体は、皮質文化的なネットワークバーストの開始にどのように寄与するか？
• RQ2 NMDA受容体は、バーストが開始された後、ネットワーク活動をどのように維持するか？
• RQ3 GABAA受容体媒長の抑制は、AMPA-R駆動型とNMDA-R駆動型の両方のネットワーク活動に対して、どのように異なるか？
• RQ4 薬理学的に誘導されたバーストにおける電極の募集の空間的・時間的ダイナミクスは何か？
• RQ5 脱抑制は、皮質ネットワークバーストパターンにおける興奮と抑制のバランスをどのように変化させるか？

主な発見

• AMPA受容体の活性化が、ネットワーク全体のバーストを開始する主な要因である。AMPA-R駆動状態ではバースト周波数が顕著に上昇した。
• NMDA受容体は、AMPA受容体によって誘導されたバーストの持続に重要な役割を果たす。
• GABAA受容体媒長の抑制は、AMPA-R駆動活動よりもNMDA-R駆動活動をより効果的に抑制する。これは、興奮経路に対する差別の的抑制制御を示している。
• AMPA-R駆動状態とNMDA-R駆動状態では、バーストの空間的・時間的構造が異なり、NMDA-R駆動バーストは電極の募集が広範かつ長期間にわたって継続する。
• 脱抑制は、全体的なネットワーク活動およびバースト周波数を顕著に増加させ、内因性の抑制がネットワーク興奮性を調節する支配的役割を果たしていることを確認した。