[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探讨了AMPA、NMDA和GABAA受体在新生大鼠皮层培养物中网络爆发活动动力学中的不同作用。通过在药理学阻断条件下使用多电极阵列记录，研究发现AMPA受体介导爆发的启动，NMDA受体维持持续活动，而GABAA受体对AMPA驱动的爆发抑制作用强于对NMDA驱动的爆发，揭示了皮层网络兴奋性调控中的关键层级关系。

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.

研究动机与目标

• 理解AMPA、NMDA和GABAA受体对皮层培养物中网络爆发动力学的差异化贡献。
• 确定兴奋性和抑制性受体如何塑造网络爆发的启动、维持和传播。
• 量化受体特异性药理学干预对爆发频率和时空招募模式的影响。

提出的方法

• 使用59电极平面阵列记录体外新生大鼠新皮层培养物的细胞外网络活动。
• 应用药理学剂选择性阻断或激活AMPA、NMDA或GABAA受体，以分离其贡献。
• 在基线、AMPA-R、NMDA-R和去抑制条件下比较爆发频率和全网络活动水平。
• 分析爆发期间电极招募的时空模式，以评估网络同步动力学。
• 将基线活动与每种药理学诱导状态进行统计比较，以识别网络行为的显著变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 AMPA受体在皮层培养物中网络爆发启动中起什么作用？
• RQ2 NMDA受体在爆发启动后维持网络活动方面起什么作用？
• RQ3 GABAA受体介导的抑制对AMPA-R与NMDA-R驱动的网络活动有何差异性影响？
• RQ4 药理学诱导爆发期间电极招募的时空动力学特征是什么？
• RQ5 去抑制如何改变皮层网络爆发模式中兴奋与抑制之间的平衡？

主要发现

• AMPA受体激活主要负责启动全网络爆发，表现为在AMPA-R驱动条件下爆发频率显著增加。
• NMDA受体在维持持续网络活动方面起关键作用，其激活可延长由AMPA受体启动的爆发。
• GABAA受体介导的抑制对AMPA-R驱动活动的抑制效果优于对NMDA-R驱动活动的抑制，表明对兴奋性通路存在差异化的抑制控制。
• AMPA-R与NMDA-R驱动状态下的爆发时空结构存在差异，NMDA-R驱动的爆发表现出更广泛且更持久的电极招募。
• 去抑制导致整体网络活动和爆发频率显著增加，证实内源性抑制在调节网络兴奋性中起主导作用。