[論文レビュー] Control over stress induces plasticity of individual prefrontal cortical neurons: A conductance-based neural simulation

Cooper, Don, Juan A. Varela+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2012

Neural dynamics and brain function被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、NEURONを用いた電導に基づく神経シミュレーションにより、ストレスに対する制御が、ナトリウムイオンおよびカルシウムイオンのT型電圧門バイアス電導および漏れ電導の増加を通じて前頭前皮質（PFC）ニューロンの興奮性を高めることを示した。この可塑性はシナプス統合およびアクタンションポテンシャル出力を増幅させ、ストレスへのレジリエンスのための生物学的・物理学的メカニズムを提供し、今後の電気生理学的研究のための検証可能な仮説を提示する。

ABSTRACT

Behavioral control over stressful stimuli induces resilience to future conditions when control is lacking. The medial prefrontal cortex(mPFC) is a critically important brain region required for plasticity of stress resilience. We found that control over stress induces plasticity of the intrinsic voltage-gated conductances of pyramidal neurons in the PFC. To gain insight into the underlying biophysical mechanisms of this plasticity we used the conductance- based neural simulation software tool, NEURON, to model the increase in membrane excitability associated with resilience to stress. A ball and stick multicompartment conductance-based model was used to realistically fit passive and active data traces from prototypical pyramidal neurons in neurons in rats with control over tail shock stress and those lacking control. The results indicate that the plasticity of membrane excitability associated with control over stress can be attributed to an increase in Na+ and Ca2+ T-type conductances and an increase in the leak conductance. Using simulated dendritic synaptic inputs we observed an increase in excitatory postsynaptic summation and amplification resulting in elevated action potential output. This realistic simulation suggests that control over stress enhances the output of the PFC and offers specific testable hypotheses to guide future electrophysiological mechanistic studies in animal models of resilience and vulnerability to stress.

研究の動機と目的

• 行動的ストレス制御が引き起こすストレスレジリエンスの背後にある生物学的物理学的メカニズムを理解すること。
• 前頭前皮質（PFC）Pyramidalニューロンの内在的膜特性が、制御可能と制御不能なストレスに応じてどのように変化するかを調査すること。
• 現実的なマルチコンパートメント電導ベースのアプローチを用いて、神経興奮性およびアクタンションポテンシャル出力の増加をモデル化すること。
• PFCニューロンにおけるストレスレジリエンスを規定するイオンチャネル可塑性に関する検証可能な仮説を生成すること。

提案手法

• ラットの前頭前皮質Pyramidalニューロンを模倣するボールアンドスティックマルチコンパートメント電導ベースのモデルを構築した。
• 尾部ショックストレスに対する制御の有無にかかわらず、ラットの実験的受動的および能動的膜データにパラメータをフィットさせた。
• ストレス制御によって誘発される可塑性を模倣するために、電圧門バイアスNa+およびCa2+ T型電導、および漏れ電導を体系的に増加させた。
• シナプス入力を樹状突起コンパートメントにシミュレートし、興奮性PostSynaptic Potentialの和算およびアクタンションポテンシャル出力の変化を評価した。
• 神経応答を制御と制御不能なストレス状態で比較し、興奮性に寄与する電導の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 行動的ストレス制御が、前頭前皮質Pyramidalニューロンの内在的膜電導にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ストレスレジリエンス時に神経興奮性が向上するにあたり、どの特定の電圧門バイアスイオン電導が寄与しているか？
• RQ3 これらの電導の可塑性が、PFCニューロンにおけるシナプス統合およびアクタンションポテンシャル出力をどのように増幅させるか？
• RQ4 ストレス制御に関連するPFC出力の増加を規定する生物学的物理学的メカニズムは何か？

主な発見

• ストレス制御下でのPFCPyramidalニューロンにおける膜の興奮性の向上に、Na+およびCa2+ T型電圧門バイアス電導の増加が重要な寄与をしていることが同定された。
• 上昇した漏れ電導も、モデルで観察された神経興奮性の上昇に寄与した。
• 膜電導特性の変化により、興奮性PostSynaptic Potentialの和算が著しく増幅されたことがシミュレーションで示された。
• シミュレートされた可塑性に続くシナプス入力に対して、アクタンションポテンシャル出力が顕著に増加し、PFC出力の向上が示された。
• モデルは、制御および制御不能なストレス状態の両方の実験的データトレースを成功裏に再現し、生物学的現実性が裏付けられた。
• これらの発見は、PFCニューロンにおける電導可塑性が、ストレスレジリエンスの生物学的物理学的基盤を提供しており、今後の電気生理学的研究のための明確で検証可能な予測を提示している。