[論文レビュー] Mechanisms underlying the response of mouse cortical networks to optogenetic manipulation

Alexandre Mahrach, Guang Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2019

Neural dynamics and brain function参考文献 93被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、マウス皮質ネットワークがPV介在ニューロンの光遺伝学刺激に如何に応答するかを分析し、特定の層でPV応答がパラドキシカルであることを示し、観察を説明できるネットワーク構造を提案します。解析計算と数値シミュレーションを用いて回路モデルを制約します。

ABSTRACT

GABAergic interneurons can be subdivided into three subclasses: parvalbumin positive (PV), somatostatin positive (SOM) and serotonin positive neurons. With principal cells (PCs) they form complex networks. We examine PCs and PV responses in mouse anterior lateral motor cortex (ALM) and barrel cortex (S1) upon PV photostimulation in vivo. In layer 5, the PV response is paradoxical: photoexcitation reduces their activity. This is not the case in ALM layer 2/3. We combine analytical calculations and numerical simulations to investigate how these results constrain the architecture. Two-population models cannot account for the results. Networks with three inhibitory populations and V1-like architecture account for the data in ALM layer 2/3. Our data in layer 5 can be accounted for if SOM neurons receive inputs only from PCs and PV neurons. In both four-population models, the paradoxical effect implies not too strong recurrent excitation. It is not evidence for stabilization by inhibition.

研究の動機と目的

• マウス皮質の主細胞（PC）とPV細胞に対するPV介在ニューロン刺激が及ぼす影響を調べる（ALMおよびS1）。
• 二つの集団モデルがPV光刺激に対する観察された応答を説明できるかを検証する。
• 特定の皮質層におけるパラドキシカルなPV応答を説明できるネットワーク構造を特定する。
• 解析的および数値モデルと生体内データを組み合わせて抑制性回路の組織を制約する。

提案手法

• マウスのALMおよびS1におけるPV光刺激実験を生体内で行い、PCとPVの応答を観察する。
• 抑制性集団の数が二つ・三つ・四つのアーキテクチャを含むネットワークモデルを開発・分析する。
• パラドキシカル応答と安定性の条件を導くために解析計算を適用する。
• 実験データと照合するために数値シミュレーションを実行する。
• モデルとデータの比較から、結合性や入力源（例：SOMへのSOM入力がPCおよびPV主導であること）などの構造的制約を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの集団モデルは、マウス皮質におけるPV光刺激への観測された応答を説明できるか？
• RQ2 ALMおよびS1での実験観察を再現できるネットワーク構造は、二集団・三集団・四集団のどれか？
• RQ3 パラドキシカルなPV応答は、これらのネットワークにおける再帰的興奮と抑制の安定化について何を意味するか？
• RQ4 レイヤ特異的な応答を再現するために必要な特定の抑制経路と入力は何か（例：ALMの2/3層対5層）？

主な発見

• PV光刺激時、マウスS1の5層でパラドキシカルなPV応答が生じるが、ALMの2/3層では生じない。
• 二集団モデルでは観察された応答を説明できず、より複雑な構造が必要である。
• V1風のアーキテクチャを持つ三抑制性集団モデルは、ALMの2/3層データを説明できる。
• 5層では、SOMニューロンがPCおよびPVからのみ入力を受けるモデルが観察を説明できる。
• 四集団モデルのいずれにおいても、パラドキシカル効果は必ずしも抑制による安定化を示すものではなく、再帰的興奮があまり強くないことを示唆している。