[论文解读] 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 functionNeuroscience被引用 1

一句话总结

本研究使用 NEURON 中的电导基神经模拟，表明对压力的控制可通过增加 Na+ 和 Ca2+ T 型电压门控电导以及漏电导，增强前额叶皮层（PFC）神经元的兴奋性。这种可塑性增强了突触整合与动作电位输出，为压力耐受性提供了生物物理机制，并为未来电生理研究生成了可检验的假设。

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.

研究动机与目标

• 理解行为控制压力所诱导的压力耐受性背后的生物物理机制。
• 研究前额叶皮层（PFC）锥体神经元固有膜特性在可控制与不可控制压力下的变化。
• 使用现实的多 compartment 电导基方法，对神经元兴奋性及动作电位输出的增加进行建模。
• 生成关于介导 PFC 神经元压力耐受性的离子通道可塑性的可检验假设。

提出的方法

• 构建了一个球-棒多 compartment 电导基模型，用于模拟大鼠前额叶锥体神经元。
• 将模型参数拟合至具有和不具有尾部电击压力控制的大鼠的实验性被动与主动膜数据。
• 系统性地增加电压门控 Na+ 和 Ca2+ T 型电导，以及漏电导，以模拟压力控制诱导的可塑性。
• 在树突 compartment 上模拟突触输入，以评估兴奋性 postsynaptic 电位总和与动作电位输出的变化。
• 通过比较控制与不可控压力条件下的神经元反应，分离出电导对兴奋性的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 行为控制压力如何改变前额叶皮层锥体神经元的固有膜电导？
• RQ2 哪些特定的电压门控离子电导在压力耐受期间促进神经元兴奋性增加？
• RQ3 这些电导的可塑性如何增强 PFC 神经元的突触整合与动作电位输出？
• RQ4 与压力控制相关的 PFC 输出增加背后的生物物理机制是什么？

主要发现

• 鉴定出 Na+ 和 Ca2+ T 型电压门控电导的增加是 PFC 锥体神经元在压力控制条件下膜兴奋性增强的关键因素。
• 升高的漏电导也对模型中观察到的神经元兴奋性增加有所贡献。
• 模拟显示，由于膜电导特性的变化，兴奋性 postsynaptic 电位总和被放大。
• 在模拟可塑性后，神经元对突触输入的动作电位输出显著增加，表明 PFC 输出增强。
• 该模型成功再现了控制与不可控压力条件下实验数据的波形，验证了其生物真实性。
• 研究结果表明，PFC 神经元中的电导可塑性为压力耐受性提供了生物物理基础，并为未来电生理研究提供了具体且可检验的预测。