Intracellular dynamic of CA3 pyramidal cells of the hippocampus during awake states
Dynamique intracellulaire des cellules pyramidales de CA3 dans l'hippocampe pendant les états de veille
Résumé
Wakefulness is comprised of distinct brain states, correlated with different behaviors and characterized by specific oscillatory patterns in the local field potential (LFP). While much work has characterized different brain states and their LFP signatures, the underlying cellular mechanisms are less known. Changes in single cell properties are thought to correlate with and possibly result in these changes in brain state. Synchronized and coordinated activity among distributed neurons supports cognitive processes such as memory. The hippocampus is essential for spatial and episodic memory, and within the hippocampus, area CA3 is important for rapid encoding of one-trial memory. Additionally, CA3 is the site where information from the entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA3 itself is compared and integrated before output to CA1. During quiet wakefulness, the hippocampal LFP displays large irregular activity (LIA) punctuated by sharp-wave ripples, which play a role in memory consolidation. During exploratory behaviors, hippocampal LFP oscillates at both theta and gamma frequencies. CA3 pyramidal cells (PCs) play an important role in each of these brain states; they are necessary for both sharp waves during quiet wakefulness and for gamma oscillations during exploratory behavior. We explored the changes that occur in the intracellular dynamics of CA3 PCs during changes in brain state, by using whole-cell patch-clamp recordings from CA3 PCs in awake head-fixed mice. We combined those recordings with measurements of pupil diameter, treadmill running speed and LFP recordings of oscillatory activity. Our findings show that some CA3 PCs are prone to intracellular modulation during brain rhythms, and tend to decrease their average membrane potential, excitability, variance and output firing during theta as compared to LIA. Future studies will demonstrate whether these effects are due to changes in synaptic and/or neuromodulatory inputs. This modulation at the single-cell level in CA3 could play a role in the emergence of oscillations, and underlie the ability of CA3 to perform different memory functions during different brain states.
Les états de veille sont composés d’états cérébraux distincts, corrélés avec différents comportements et caractérisés par des oscillations spécifiques observables dans le potentiel de champ local (Local Field Potential, LFP). Bien que les différents états cérébraux et leur signature dans le LFP aient été caractérisés, les mécanismes cellulaires sous-jacents restent à ce jour peu connus. Des changements des propriétés de neurones uniques seraient corrélés avec, et pourraient participer à la génération de ces changements d’états cérébraux. L’activité coordonnée et synchronisée de neurones facilite certains processus cognitifs tels que la mémoire. L’hippocampe joue un rôle essentiel dans les mémoires spatiale et épisodique, et dans l’hippocampe, CA3 est important pour la formation d’associations facilitant l’encodage rapide de la mémoire. De plus, les informations provenant du cortex entorhinal, du gyrus denté, et de CA3 même sont comparées et intégrées dans CA3 avant d’être transmises à CA1. Lors de périodes de repos, le LFP hippocampique présente une activité large et irrégulière (Large Irregular Activity, LIA), ponctuée par des oscillations plus rapides, les sharp-wave ripples, jouant un rôle dans la consolidation de la mémoire. Lors de périodes exploratoires, le LFP hippocampique oscille aux fréquences theta (6-12 Hz) et gamma (30-100 Hz). Les cellules pyramidales (CP) de CA3 jouent un rôle important dans chacun de ces états ; elles sont nécessaires pour les sharp wave lors de périodes de repos, et les oscillations gamma lors de comportements exploratoires. Dans le but d’étudier les modulations intracellulaires des CP de CA3, nous avons réalisé des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule entière chez l’animal éveillé. Nous avons associé ces enregistrements avec des mesures du diamètre pupillaire et de la vitesse de locomotion de l’animal, ainsi qu’avec l’enregistrement de l’activité oscillatoire du LFP dans l’hippocampe. Nos résultats montrent que certaines CP de CA3 sont sensibles à la modulation intracellulaire lors de différents rythmes hippocampiques, et ont tendance à diminuer leur potentiel de membrane moyen, leur excitabilité, leur variance et leur décharge de potentiel d’action lors des oscillations theta par rapport aux périodes de LIA. De futures études permettront de déterminer si ces changements sont dus à des changements d’entrées synaptiques et/ou de neuromodulateurs. Ces modulations pourraient jouer un rôle dans l’émergence des rythmes oscillatoires du LFP, et permettre à CA3 de réaliser différentes fonctions mnésiques à différents moments.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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