velikost textu

Functional properties and plasticity of the rat auditory cortex

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Functional properties and plasticity of the rat auditory cortex
Název v češtině:
Funkční vlastnosti alastcita sluchové kůry potkana
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Kateryna Pysanenko, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Rostislav Tureček, Ph.D.
Oponenti:
Doc. MUDr. RNDr. Petr Maršálek, PhD.
doc. RNDr. Alexandr Chvátal, DrSc.
Konzultant:
Ing. Daniel Šuta, PhD.
Id práce:
172035
Fakulta:
2. lékařská fakulta (2.LF)
Pracoviště:
Ostatní pracoviště (13-999)
Program studia:
Neurovědy (P5108)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
21. 5. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
ABSTRAKT: Sluchová kůra (AC) je konečným cílem aferentních sluchových drah a hraje klíčovou roli ve vnímání a lokalizaci složitých zvuků. V předložené práci jsou zkoumány a diskutovány tři aspekty funkce sluchové kůry na modelu potkana: i) diverzita vnitřních pasivních a aktivních elektrických vlastností korových neuronů v centrální oblasti sluchové kůry (označované jako core) a v oblasti periferního pásu (označované jako belt), ii) modulační funkce sestupných drah ze sluchové kůry do colliculu inferior (IC) a iii) vliv komplexní akustické stimulace v průběhu kritického období dozrávání sluchového systému na aktivitu sluchových neuronů. V rámci AC lze rozlišit dvě základní oblasti: centrální oblast (v literatuře označovaná jako core) a oblast periferního pásu (v literatuře označovaná jako belt). Záznamy neuronové aktivity vyvolané zvukovou stimulací ukázaly výrazné rozdíly mezi odpovědí neuronů v centrální oblasti a neuronů v oblasti periferního pásu. Většina neuronů centrální oblasti reaguje s krátkou latencí a fázickým charakterem odpovědi, na rozdíl od tonických odpovědí s delšími latencemi v oblasti periferního pásu. Obecně se předpokládá, že zpracování příchozích signálů neurony sluchové kůry se může v jednotlivých oblastech AC významně lišit. V práci jsme analyzovali vnitřní elektrické vlastnosti pyramidových neuronů páté vrstvy v obou částech AC snímané s využitím techniky terčíkového zámku (patch-clamp) v korových řezech u potkana. Výsledky ukázaly, že pyramidové neurony v centrální oblasti AC mají ve srovnání s neurony v oblasti periferního pásu vyšší excitabilitu v klidovém stavu, delší časovou konstantu membrány, větší vstupní odpor a generují akční potenciály s kratšími latencemi při nižší reobázi. Různá excitabilita byla důsledkem zvýšené nespecifické (tzv. shunting) vodivosti v neuronech periferního pásu při klidovém membránovém potenciálu. Jako prostředník pro tuto zvýšenou vodivost byly v pyramidových buňkách identifikovány neselektivní HCN (hyperpolarization activated/cyclic nucleotide-gated; hyperpolarizací aktivované, cyklickými nukleotidy řízené) kanály. Analýza napěťové charakteristiky a kinetiky proudů zprostředkovaných HCN kanály (Ih), RT-qPCR jednotlivých buněk a imunohistochemie identifikovala HCN1 a HCN2 jako dva hlavní podtypy přítomné v obou oblastech sluchové kůry. Experimenty s blokováním Ih proudů potvrdily jeho důležitost pro regulaci generování akčních potenciálů pyramidovými neurony v periferních pásech AC. Existence masivních projekcí sestupujících od sluchové kůry ke colliculu inferior (IC) byla již dobře zdokumentována, avšak jejich funkce ještě stále není plně vysvětlena. Modulační účinek sestupné dráhy ze sluchové kůry na odpovědi neuronů v IC byl u potkana studován s použitím dočasné inaktivace AC, která byla dosažena jejím ochlazením. Vyřazení sluchové kůry neovlivnilo frekvenční ladění ani hodnoty prahů u neuronů v IC, chlazení AC však vedlo k významnému zvýšení jak spontánní aktivity tak i odpovědí vyvolaných zvukovou stimulací u přibližně poloviny neuronů v IC. V rámci časového průběhu evokovaných odpovědí byla aktivita neuronů více ovlivněna v pozdější ustálené (tzv. sustained) fázi a na konci odpovědi (tzv. off reakce) než v počáteční (tzv. onset) části. Změny neuronové aktivity byly pozorovány jak v oblasti dorsální kůry IC, tak v centrálním jádru IC. Vyřazení AC vedlo také k potlačení post-excitační inhibice a k menší adaptaci neuronů, což se projevilo ve výrazném zvýšení synchronizovaných odpovědí na zvukovou stimulaci řadou rychle se opakujících impulsů. Po ukončení chlazení se parametry neuronové aktivity vrátily na původní úroveň před chlazením v průběhu cca 1 hodiny. Výsledky dokazují, že vyřazení sluchové kůry deaktivuje excitační sestupnou dráhu do IC a tím dochází k menší aktivaci vnitřní inhibice v neuronových obvodech IC. Akustická stimulace hraje důležitou roli při zrání sluchového systému. Bylo prokázáno, že senzorická stimulace v průběhu dozrávání sluchového systému významně ovlivňuje utváření neuronové konektivity, receptivní pole neuronů, rovnováhu mezi excitací a inhibicí nebo tonotopické uspořádání v celé sluchové dráze. Předložená práce ukazuje, že potkani chovaní v prostředí s komplexní akustickou stimulací (tzv. obohacené prostředí, v našem případě šlo o zvukovou stimulaci obsahující frekvenční a amplitudovou modulaci a doplněnou o operantní podmiňování s pozitivní zpětnou vazbou) vykazují zlepšené charakteristiky odpovědí neuronů sluchové kůry, které přetrvávají do dospělosti. Komplexní akustická stimulace se projevila v nižších sluchových prazích, větší frekvenční selektivitě a v menším zastoupení neuronů s nemonotonní intenzitní funkcí. Komplexní akustická stimulace ovlivnila i reakci neuronů v AC na frekvenčně i amplitudově modulované zvukové podněty. Neurony těchto zvířat vykazovaly menší rozptyl počtu akčních potenciálů (AP) v odpovědích na opakující se stimulus, což dokumentuje spolehlivější reprezentaci podnětu pomocí tzv. rate-kódu, tedy kódu založeného na četnosti AP. I v případě srovnání časových průběhů posloupností AP měly neurony zvířat chovaných v prostředí s komplexní akustickou stimulací vyšší podobnost mezi jednotlivými odpověďmi na opakovaný podnět. Neurony byly také schopny přesnějšího sledování časového průběhu zvukového podnětu, což bylo patrné ve vyšší synchronizaci neuronové aktivity s modulací zvukového stimulu. Popsané změny vyvolané komplexní akustickou stimulací v průběhu zrání systému měly dlouhodobý charakter a přetrvávaly do dospělosti. Výsledky jasně ukazují, že akusticky obohacené prostředí během raného období postnatálního vývoje ovlivňuje jak základní vlastnosti receptivních polí neuronů sluchové kůry, tak náhodnost, reprodukovatelnost a strukturu posloupností AP, což může významně ovlivnit schopnost detekovat a rozlišovat zvuky. Předložená práce přináší nové poznatky, které přispívají k pochopení principů zpracování sluchové informace neurony sluchové kůry, ukazují roli sluchové kůry při řízení zpracování akustických podnětů v podkorových centrech sluchové dráhy a ukazují důležitost akustické stimulace pro formování sluchového systému během jeho dozrávání. Klíčová slova: sluchová kůra; korová modulace; neurony; komplexní akustická stimulace; plasticita; kritická vývojová fáze.
Abstract v angličtině:
ABSTRACT: Auditory cortex (AC) is the ultimate target of afferent auditory pathways and plays a crucial role in the perception and localization of complex sounds. In the thesis were investigated and discussed three aspects of the AC function: i) diversity of the intrinsic passive and active electrical properties of core and belt AC neurons, ii) the modulatory function of the descending connections from the auditory cortex to the inferior colluculus and iii) the effect of a complex acoustical environment applied during the critical period on the responsiveness of auditory cortex neurons in rats. Within the AC can be distinguished two fundamental areas: centrally located core area and peripheral belt area. Recordings of sound-evoked AC activity revealed striking differences between response patterns of neurons from the core and belt areas. Most of core neurons displayed short latency, phasic responses, unlike the prevalence oflonger latency tonic responses in the belt area. It has been hypothesized that incoming signals could be processed differently by neurons in these areas. In thethesis we have investigated the intrinsic electrical properties of layer V pyramidal neurons by patch-clamp recording in acute rat AC slices. Results showed that the pyramidal neurons from the core AC are more excitable at rest with increased time membrane constants andinput resistances and generated action potentials with shorter latencies and lower rheobasescompared to neurons from the beltregion. The different excitability resulted from an elevated constitutive shunting conductance activated in belt neurons at the resting membrane potential. The hyperpolarization activated/cyclic nucleotide-gated cation (HCN) channels were identified as the mediator for this elevated conductance in the belt pyramidal neurons. Analysis of voltage-dependence and gating kinetics of HCN-mediated currents (Ih), single-cell RT-qPCR and immunohistochemistry revealed the HCN1and HCN2 as the major subtypes expressed inboth auditory areas. Experimental blockade of Ih confirmed its important role in the regulation of spiking ability of pyramidal neurons in the belt regions. The existence of massive projections descending from the auditory cortex (AC) to the inferior colliculus (IC) is well documented, yet their function is not fully understood. The modulatory effect of corticofugal projection on the responses of neurons in the rat IC was examinedusing a reversiblecortical inactivation, achieved by cooling of the AC.The frequency tuning and thresholds of the IC neurons did not show any significant changes during the cooling period.But at the same time, cooling of the AC produced an increase in spontaneous activity as well as inmagnitude of the sound-evoked response in 47% of the IC neurons. The final segments of the sustainedresponses and the off responses were more affected than the onset segments. Changes in the neuronal activity were observed in the dorsal cortex as well as in the central nucleus of the IC. Inactivationof the AC resulted also in a suppression of the post-excitatory inhibition and neuronal adaptation, which was reflected in a pronounced enhancement of synchronized responses to a series of fast repeatedclicks. The response parameters recovered, to the pre-cooling levels within 1 h after the coolingcessation. The results demonstrate that AC cooling inactivates excitatory corticofugal pathwaysand results in a less activated intrinsic inhibitory network in the IC. Acoustical environment plays an important role during the maturation of the auditory system. It has been shown that the sensory inputs to the developing centresinfluence the development of the structure of projections, neuronal responsiveness, excitatory-inhibitory balance, or tonotopical arrangement, throughout the auditory pathway. The current work provides evidence that rats reared in a complex acoustic environment (spectrally and temporally modulated sound reinforced by an active behavioral paradigm with a positive feedback) exhibit permanently improved response characteristics of the AC neurons. In particular, the enriched animals had lower excitatory thresholds, sharper frequency selectivity, and a lower proportion of non-monotonic rate-intensity functions. In addition to this, the enrichment changed the AC responsiveness to frequency-modulated and also amplitude-modulated stimuli. For a repetitive stimulus, the neurons exhibited a lower spike count variance, indicating a more stable rate coding. At the level of individual spikes, the discharge patterns showed a higher degree of similarity across stimulus repetitions. Furthermore, the neurons followed more precisely the temporal course of the stimulus, as manifested by improved phase-locking to temporally modulated sounds. These acoustical enrichment- induced changes developed during system maturation were permanent and detectable in adulthood. The findings indicate that an acoustically enriched environment during the critical period of postnatal development influences basic properties of neuronal receptive fields in the auditory cortex, which may have implications for the ability to detect and discriminate sounds and also affects the stochasticity, reproducibility, and fine structure of neuronal spiking patterns. Results of the thesis contributing to knowledge about neuronal implication of signal processing within the AC circuits, cortical control of the subcortical processing of acoustical stimuli and a role of acoustical stimulation for formation of the auditory system during maturation. Keywords: auditory cortex; corticofugal modulation; neurons; acoustically enriched environment; plasticity; critical period.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Kateryna Pysanenko, Ph.D. 8.74 MB
Stáhnout Příloha k práci Mgr. Kateryna Pysanenko, Ph.D. 241 kB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Kateryna Pysanenko, Ph.D. 196 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Kateryna Pysanenko, Ph.D. 190 kB
Stáhnout Posudek oponenta Doc. MUDr. RNDr. Petr Maršálek, PhD. 2.73 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Alexandr Chvátal, DrSc. 3.1 MB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 3.65 MB