[논문 리뷰] Mechanisms underlying the response of mouse cortical networks to optogenetic manipulation

Alexandre Mahrach, Guang Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 01.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 93인용 수 35

한 줄 요약

본 논문은 PV 억제뉴런(optogenetic) 자극에 대한 쥐 피질 네트워크의 반응을 분석하고, 특정 층에서 모순적인 PV 반응을 보이며 관찰을 설명할 수 있는 네트워크 구조를 제안합니다. 해석적 계산과 수치 시뮬레이션을 사용해 회로 모델을 제약합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• PV 억제뉴런 자극이 쥐 피질(ALM 및 S1)에서 주요세포(PC)와 PV 세포에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다.
• 2-개집단 모델이 PV 광자극에 대한 관찰된 반응을 설명할 수 있는지 테스트합니다.
• 특정 피질층에서의 모순적 PV 반응을 설명할 수 있는 네트워크 구조를 식별합니다.
• 해석 및 수치 모델링을 현생 데이터(in vivo data)와 결합해 억제 회로 구성의 제약을 도출합니다.

제안 방법

• 생체 내 PV 광자극 실험을 이용해 ALM 및 S1에서 PC와 PV의 반응을 관찰합니다.
• 다양한 수의 억제 인구를 갖는 네트워크 모델(2-개, 3-개, 4-개 인구 구조)을 개발하고 분석합니다.
• 해당하는 역방향 반응(역설적 반응)과 안정성 조건을 도출하기 위해 해석적 계산을 적용합니다.
• 모델 예측을 실험 데이터와 대조하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행합니다.
• SOM 입력이 PC- 및 PV 주도인 경우와 같은 입력원/연결성에 대한 모형-데이터 비교로부터 구조적 제약을 추론합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 집단 모델로 쥐 피질에서 광 자극에 대한 관찰된 PV 반응을 설명할 수 있는가?
• RQ2 ALM 및 S1의 실험 관찰을 재현할 수 있는 네트워크 구조(2-, 3-, 혹은 4-집단)인가?
• RQ3 모순적 PV 반응은 이러한 네트워크 내 재발하는 흥분과 억제 안정화에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 ALM의 특정 층(예: layer 2/3 대 layer 5)와 같은 층별 반응을 재현하는 데 필요한 특정 억제 경로와 입력은 무엇인가?

주요 결과

• PV 광자극 시 쥐 S1 Layer 5에서 모순적 PV 반응이 나타나지만 ALM Layer 2/3에서는 나타나지 않는다.
• 두 개의 집단 모델로는 관찰된 반응을 설명할 수 없어 더 복잡한 구조가 필요하다.
• V1 유사한 구조를 가진 3-억제 인구 모델은 ALM Layer 2/3 데이터를 설명할 수 있다.
• Layer 5에서 SOM 뉴런이 PC와 PV로부터의 입력만 받는 모델이 관찰을 설명할 수 있다.
• 네 개의 집단 모델에서 모순적 효과가 반드시 억제로의 안정화를 나타내는 것은 아니며, 재발하는 흥분이 너무 강하지 않다는 것을 시사한다.