[논문 리뷰] AMPA, NMDA and GABAA receptor mediated network burst dynamics in cortical cultures in vitro

Heidi Teppola, Samora Okujeni외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 01.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 신생아 쥐의 뇌피질 배양에서 AMPA, NMDA 및 GABAA 수용체가 네트워크 번개 동역학을 조절하는 데 기여하는 역할을 조사한다. 약리학적 차단 조건 하에서 다중 전극 어레이 기록을 사용하여, AMPA 수용체가 번개를 유도하고, NMDA 수용체가 지속적인 활동을 유지하며, GABAA 수용체가 AMPA 유도 활동보다 NMDA 유도 활동을 더 강하게 억제함을 입증함으로써, 피질 네트워크의 Excitability 조절에 핵심적인 계층적 조절 메커니즘이 존재함을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 피질 배양에서 AMPA, NMDA 및 GABAA 수용체가 네트워크 번개 동역학에 기여하는 방식의 차이를 이해하는 것.
• 흥분성 및 억제성 수용체가 네트워크 전체 번개의 유도, 유지 및 전파 방식을 어떻게 조절하는지 규명하는 것.
• 수용체 특이적 약리학적 조작이 번개 빈도와 공간-시간적 활성화 패턴에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 신생아 쥐의 대뇌 피질에서 유도한 in vitro 피질 배양에서 59전극 평면 어레이를 사용해 세포 외부 네트워크 활동을 기록함.
• AMPA, NMDA 또는 GABAA 수용체를 선택적으로 차단하거나 활성화하기 위해 약리학적 제제를 적용하여 각 수용체의 기여를 고립함.
• 기본 상태, AMPA-R 차단 상태, NMDA-R 차단 상태 및 탈억제 상태에서 번개 빈도와 네트워크 전체 활동 수준을 비교함.
• 번개 발생 중 전극의 활성화 패턴을 분석하여 네트워크 동기화 동역학을 평가함.
• 기본 활동 상태와 각 약리학적 자극 상태 간의 통계적 비교를 통해 네트워크 행동에서 유의미한 변화를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AMPA 수용체는 피질 배양에서 네트워크 번개의 유도에 어떤 기여를 하는가?
• RQ2 NMDA 수용체는 번개가 유도된 후 네트워크 활동을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 GABAA 수용체 매개 억제는 AMPA-R 유도 활동과 NMDA-R 유도 활동에 대해 어떻게 다르게 작용하는가?
• RQ4 약리학적으로 유도된 번개 동안 전극 활성화의 공간-시간적 동역학은 어떻게 되는가?
• RQ5 탈억제 상태는 피질 네트워크 번개 패턴에서 흥분성과 억제성의 균형을 어떻게 변화시키는가?

주요 결과

• AMPA 수용체 활성화가 네트워크 전체 번개의 유도를 주로 담당하며, 이는 AMPA-R 유도 조건에서 번개 빈도가 유의미하게 증가한 것으로 확인됨.
• NMDA 수용체는 지속적인 네트워크 활동을 유지하는 데 핵심적인 역할을 하며, AMPA 수용체에 의해 유도된 번개를 유지함.
• GABAA 수용체 매개 억제는 AMPA-R 유도 활동보다 NMDA-R 유도 활동을 더 효과적으로 억제함을 보여, 흥분 경로에 대해 비대칭적인 억제 조절이 존재함.
• AMPA-R 및 NMDA-R 유도 상태 간의 번개 공간-시간적 구조는 다르며, NMDA-R 유도 번개는 전극의 활성화 범위가 넓고 지속 시간이 더 길게 나타남.
• 탈억제 상태에서는 전체 네트워크 활동과 번개 빈도가著증가하여, 내재된 억제가 네트워크 Excitability 조절에 지배적인 역할을 함을 확인함.