¿Teléfono Descompuesto en el Cerebro? Patrones precisos de

¿Teléfono Descompuesto en el Cerebro?
Patrones precisos de actividad neural en CA1 a partir de sinápsis no confiables:
Modelando una explicación
1,2
3
1,2,3,4
Nadia Saraí Corral Frías Adam Buntaine , and Jean-Marc Fellous
1 Program in Neuroscience, University of Arizona, Tucson AZ - 2 Evelyn F. McKnight Brain Institute
3 Department of Biomedical Engineering, Duke University, Durham NC - 4 Department of Psychology, University of Arizona, Tucson AZ
INTRODUCCIÓN
600
Número de sinápis
Éstas tienen actividad preponderantemente
cuando el animal se encuentra en un determinado
lugar de su entorno.
500
400
300
200
100
0.5
0
1.5
1
0.5
2
Número
de
sinápsis:
1
Tiempo (s)
1.5
0.5
Tiempo (s)
900
2
Número de sinápis
Número de sinápis
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.5
4
1
1.5
Tiempo (s)
1.5
1
Tiempo (s)
Mismo número de sinápsis
diferente lugar
Sin theta, sin perfil
Gaussiano
17. 55 Hz
19.01 Hz
260
500
Número de sinápsis:
15
11 Hz
15
250
250
15
15
1.0
1.5
0.5
1.0
0.5
1.5
Tiempo(ms)
1.0
1.5
Tiempo(ms)
0.5
1.0
Tiempo(ms)
Datos del modelo
Frecuencia de Descargas
14
12
iac10
n
e 8
u
ce
r 6
F
4
2
0
13.33 Hz
10.16 Hz
7.07 Hz
3.3 Hz
CA1
Antes de "rate remapping"
CA3
CA1
iac
n
e
u
ce
r
F
14
12
10
8
6
4
2
0
13.5 Hz
10.07 HZ
3 HZ
0 Hz
CA3
CA1
CA3
CA1
Antes de "rate remapping" Despues de "rate remapping"
Después de "rate remapping"
Para poder lograr obtener la misma respuesta
que en los datos experimentales, más sinápsis o
más fuerza entre las sinápsis son necesarias.
Ninguna característica
presináptica presente
16.05 Hz
CONCLUSIONES
El cerebro se comunica eficazmente y
ésta eficacia depende de caracterisiticas
espefícicas del mensaje transmitido, las
ráfagas de espigas, la modulación de theta
y el perfil gaussiano de las descargas.
520
15
Ensayos
15
Cambios en la frecuencia presináptica
generan cambios en la frecuencia
postsinaptica, pero también generan
cambios en el número de eventos.
0.5
1
1.5
Tiempo (s)
0.5
1
Tiempo (s)
1.5
0.5
1
Tiempo (s)
Diferentes frequencias presinapticas generan diferentes
patrones postsinapticos
“Rate remapping” ocurre cuando
señales selectivas en el ambiente del
animal son cambiadas y la frecuencia
de descarga eléctrica de la neurona
cambia, pero el campo receptivo de
célula se mantiene inalterado (Leutgeb
et .al., 2005a).
Radiatum
200 m
m
n180
¿ Cómo se forman patrones precisos de
sinápsis no confiables?
9 Hz
250
Tiempo(ms)
CA3
Control
promedio de frecuenica
postsináptica:
7 Hz
Frecuencia de Descargas
El surgimento de los patrones precisos depende de las
caracterísitcias del tren presináptico
Nosotros utilizamos un modelo biofísico que
incorpora características biológicas celulares. Usamos
células reconstruidas en NEURON para simular
descargas en esta región cerebral.
4 Hz
Datos experimetales
0.5
Mismo lugar de sinápsis diferente
número de sinápsis
Las neurociencias computacionales tienen como
objetivo explicar como diferentes tipos de señales son
utilizados por el cerebro para representar y procesar
información.
1.32
0
Cuando “rate remapping” ocurre, en datos
experimentales, el cambio en frecuencia es mayor
en CA3 que en CA1. En el modelo esto no ocurre.
15
680
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
Tiempo (s)
MÉTODOS
5.55
5
15
Mismo número de sinápsis
diferente lugar
Tren presinaptico real
El tren de éstas células tiene un perfil gaussiano,
contienen ráfagas de espigas (bursts), y son
modulados por el ritmo theta.
10
1.5
1
100
Tiempo (s)
14.89
Tiempo (s)
Mismo lugar de sinápsis diferente
número de sinápsis
1
15
250
0.5
0
20
Cambios en la frecuencia del tren en CA3
generan cambios en el número de eventos en CA1.
Ensayo
Número de ensayos
15
680
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
200
200 ms
24.38
frecuencia presináptica
800
Número de sinápis
Diagrama de las regiones del hipocampo
25
Tren presinaptico simulado
700
Radiatum
30
Ensayo
Un sistema interesante para probar este
fenómeno es en el hipocampo, especificamente en
las células de lugar.
Las celulas recontruidas generan patrones de actividad en respuesta a
trenes presinapticos simulados.
Las respuestas generadas por los trenes de CA3 simulados se parecen a
aquellos obtenidos de los trenes reales de CA3.
Ensayo
Al cerebro también le gusta jugar al teléfono
descompuesto. El gran misterio es como el cerebro
raramente comete errores, si es que en promedio los
mensajes de una parte del cerebro a otra no se
transmite 4 de cada 5 veces.
Las celulas de CA1 recontruidas generan patrones de actividad,
ya sea en a respuesta a trenes presinapticos reales o simulados
frecuencia postsináptica
RESULTADOS
Cambios en la frecuencia del tren presináptico
(CA3) generan cambios en la frecuencia tren
potsináptico (CA1).
Figura tomada de Leutgeb et al. 2005b
1.5
Este fenómeno puede ser importante
para “rate remapping”y por lo tanto en la
creación de diferentes memorias que se
llevan a cabo en el mismo lugar (Leutgeb
et. al., 2005a).
REFERENCIAS
Hines ML, Carnevale NT (1997) The NEURON simulation environment.
Neural Computation 9:1170-1209.
Leutgeb S et. al. (2005a) Independent codes for spatial and episodic
memory in hippocampal ensembles. Science 309:619-623.
Leutgeb S et. al. (2005b) Place cells, spatial maps and the population code
for memory. Current Opinion in Neurobiology 15:738–746
AGRADECIMENTOS
Queremos agradecer al Dr. Stefan Leugteb y al laboratorio del Dr. Edvard
Moser en su enteridad por proprcionarnos datos para obtener los trenes CA3.
Al Dr. José Valdes, por sus valiosas sugerencias y contribuciones. De igual
manera queremos agradecer a CONACYT por el apoyo económico.
1.5