The role of inhibitory interneurons in neurovascular coupling
Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
Final Report Abstract
Neurovaskuläre Kopplung erlaubt eine schnelle Anpassung des zerebralen Blutflusses an Änderungen der Hirnaktivität, um eine kontinuierliche Versorgung mit ausreichend Sauerstoff und anderen Nährstoffen zu gewährleisten. Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI, functional MRI) und weitere nichtinvasive Bildgebungstechniken messen Änderungen neuronaler Aktivität indirekt über Messungen zerebraler hämodynamischer Parameter. Die physiologische Bedeutung dieser Signale, wie z.B. des fMRI-BOLD-Signals (BOLD, blood oxygenation level-dependent) erfordert ein detailliertes mechanistisches Verständnis von neurovaskulärer Kopplung. Zweiphotonenmikroskopie kann in Mäusen dazu verwendet werden, um hämodynamische Parameter wie Gefäßdurchmesser, Blutfluss, und Sauerstoffgehalt in Blut und Nervengewebe direkt zu messen. Im Kontext der Frage, ob bestimmte neuronale Populationen charakteristische hämodynamische Signaturen im BOLD-fMRI erzeugen, wurde in dieser Arbeit die Rolle von kortikalen inhibitorischen Interneuronen (IN) in der neurovaskulären Kopplung untersucht. Dazu wurde Zweiphotonenmikroskopie mit pharmakologischen und optogenetischen Ansätzen kombiniert, um spezifische Signalwege zu untersuchen und die Aktivität bestimmter Neuronenpopulationen zu beeinflussen. Verschiedene IN-Subtypen setzen diverse vasoaktive Substanzen frei, darunter vasoaktives intestinales Peptid (VIP), Neuropeptid Y (NPY) und Sticktoffmonoxid (NO). Die optogenetische Aktivierung aller INs im somatosensorischen Kortex der Maus führt zu einer biphasischen Gefäßantwort (zuerst Dilatation, dann Konstriktion), die mit einer Antwort auf sensorische Stimulation vergleichbar ist. Blockade von VIP-Rezeptoren führt zu einem Rückgang der Dilatationsamplitude um etwa 50% bei unverzögerter Initiation. Blockade von NO-Synthese führt zu starken stimulus-unabhängigen rythmischen Kontraktionen, die wahrscheinlich auf eine unspezifische Inhibition der NO-Synthese im Gefäßendothel zurückzuführen sind. Zuvor wurde beobachtet, dass Blockade von Y1-Rezeptoren für NPY zu einem vollständigen Verlust der Konstriktion in Gefäßantworten auf sensorische und optogenetische Stimulation führt. Um zu testen, ob NPY-positive INs (NPY-INs) ausschliesslich Konstriktion hervorrufen, wurde eine Mauslinie für NPY-IN-spezifische optogenetische Stimulation hergestellt; diese zeigte ebenso eine biphasische Gefäßantwort, die aber etwas stärker war als die Antwort auf optogenetische Stimulation aller INs. Dies bedeutet, dass NPY-INs möglicherweise sehr potente Modulatoren der durch IN verursachten Gefäßantwort darstellen. Im Kontrast dazu konnte keine elektrische Antwort (local field potentials) auf die optogenetische Stimulation von NPY-INs gemessen werden. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, dass auf verschiedene Sensitiviäten elektrischer und hämodynamischer Messungen (z.B. fMRI und Elektroenzephalographie) für die Aktivität bestimmer Neuronenpopulationen hinweist. Die Beteiligung weiterer von NPY-positiven und anderen INs freigesetzten Signalmoleküle, die zur Gefäßdilatation beitragen, muss in Folgeexperimenten noch untersucht werden. In Rahmen dieser Studie wurden Protokolle etabliert, um die Anwendung der Zweiphotonenmikroskopie in wachen Mäusen zu verbessern und optogenetische Stimulation mit Zweiphotonenanregung mit längeren Wellenlängen (bis ca. 1350 nm) zu kombinieren, letzeres, um Mikroskopie tief im Gewebe (bis zu 1.2 mm unter der Kortexobeflaeche) zu ermöglichen. In Kollaboration konnten wir darüber hinaus optogenetische Stimulation und Zweiphotonenmikroskopie mit elektrischen Messungen der Hirnaktivität durch optisch transparente Graphenelektrodenarrays kombinieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten einige der Signalmoleküle identifiziert werden, mit denen INs zerebralen Blutfluss beeinflussen können. Zusammen mit detaillierten strukturellen Untersuchungen des kortikalen Gefäßsystems sowie Messungen von Änderungen des Sauerstoffmetabolismus in Antwort auf sensorische oder optogenetische Stimulation werden diese Ergebnisse dazu beitragen, ein genaueres Bild auf mechanistische Grundlagen von BOLD-fMRI-Signalen zu geben und eine bessere Interpretation von Messungen der Hirnaktivität im Menschen ermöglichen.
Publications
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Cell type specificity of neurovascular coupling in cerebral cortex. Elife 5, 1-35 (2016)
Uhlirova, H., Kilic, K., Tian, P., Thunemann, M., Desjardins, M., Saisan, P. A., Sakadzic, S., Ness, T. V., Mateo, C., Cheng, Q., Weldy, K. L., Razoux, F., Vandenberghe, M., Cremonesi, J. A., Ferri, C. G., Nizar, K., Sridhar, V. B., Steed, T. C., Abashin, M., Fainman, Y., Masliah, E., Djurovic, S., Andreassen, O. A., Silva, G. A., Boas, D. A., Kleinfeld, D., Buxton, R. B., Einevoll, G. T., Dale, A. M. and Devor, A.
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The roadmap for estimation of cell-type-specific neuronal activity from noninvasive measurements. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 371, 20150356 (2016)
Uhlirova, H., Kilic, K., Tian, P., Sakadzic, S., Gagnon, L., Thunemann, M., Desjardins, M., Saisan, P. A., Nizar, K., Yaseen, M. A., Hagler, D. J., Jr., Vandenberghe, M., Djurovic, S., Andreassen, O. A., Silva, G. A., Masliah, E., Kleinfeld, D., Vinogradov, S., Buxton, R. B., Einevoll, G. T., Boas, D. A., Dale, A. M. and Devor, A.
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Activation of cortical NPY-expressing interneurons produces vascular effects without measurable LFP. Neuroscience 2017 in Washington, DC, USA (11/2017)
Thunemann, M., Ness, T. V., Kilic, K., Desjardins, M., Bompierre, S., Vandenberghe, M., Cheng, Q., Weldy, K., Djurovic, S., Andreassen, O. A., Boas, D. A., Herzog, H., Einevoll, G. T., Dale, A. M., Devor, A.
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Implementation of deep 2-photon microscopy and optogenetics to dissect cell-type-specific mechanisms of cerebrovascular regulation. OSA Biophotonics Congress: Optics in the Life Sciences 2017 in San Diego, CA, USA (04/2017)
Thunemann, M., Kilic, K., Desjardins, M., Cheng, Q., Weldy, K., Saisan, P.A., Dale, A.M., Devor, A.
