VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Временные паттерны спонтанной активности нейронов слуховой коры мыши в условиях поверхностной анестезии и бодрствования

Г.Д. Хорунжий1*, М.А. Егорова1

1.ИЭФБ РАН;

* khorunzhii.gd(at)gmail.com

Высокая спонтанная (фоновая) активность является характерной особенностью нейронов слуховой области коры млекопитающих (Egorova, 2005; Luczak et al., 2009; Sakata, Harris, 2012), отличающей корковый уровень слуховой системы от стволового. В работах, выполненных на наркотизированных животных, показана упорядоченная пачечная временная организация фоновой импульсации одиночных нейронов первичной слуховой коры (Egorova, 2005), а также обоснована ее роль в формировании функционального шаблона синхронизации процессов возбуждения и торможения в кортикоталамических нейронных сетях (Molnar et al., 2020). При этом, выполненная нами вероятностная оценка формирования пачечных временных паттернов спонтанной активности нейронов слуховой коры наркотизированных мышей показала, что характер их возникновения отличается от случайного (Хорунжий, Егорова, 2022). Однако, влияние фоновой импульсации одиночных нейронов слуховой коры на протекающие при их участии процессы анализа звука остается не вполне понятным. Особенности временной организации спонтанной активности нейронов слуховой коры бодрствующих животных, при этом, остаются практически неизученными. Настоящее исследование направлено на оценку и сопоставление временных паттернов фоновой импульсации одиночных нейронов слуховой коры наркотизированных и бодрствующих мышей.

В работе внеклеточно регистрировали спонтанную активность одиночных нейронов первичного (AI) и переднего (AAF) полей слуховой коры наркотизированных и бодрствующих домовых мышей. Все нейроны, как у наркотизированных, так и бодрствующих животных проявляли высокую, упорядоченную во времени спонтанную активность.

У наркотизированных мышей упорядоченность временных паттернов фоновой активности нейронов проявлялась в группировке их спонтанных спайков в пачки, содержащие 4-9 импульсов у разных нейронов. Число спайков в пачках отличалось не только у различных нейронов, но и, в пределах 2-3 импульсов, между разными пачками одного и того же нейрона. Оценка дисперсии числа импульсов в пачках, выполненная для каждого нейрона, показала, что у 49% исследованных нейронов она не превышала одного спайка, а у 68% нейронов – двух. Пачки спонтанных импульсов, как правило, группировались в более продолжительные временные паттерны длительностью до нескольких секунд, состоящие из 9-10 пачек. Эти паттерны, обнаруженные нами в спонтанной активности 70% корковых нейронов, были условно названы «гиперпачками». У исследованных нейронов в пачки были объединены от 40 до 100% спонтанных спайков, в «гиперпачки» – 90 – 95% пачек импульсов. Таким образом, фактическая вероятность формирования наблюдаемой нами как пачечной, так и «гиперпачечной» упорядоченной временной структуры спонтанной активности нейронов слуховой коры наркотизированных мышей была близка к единице, что на много порядков превышало вероятности независимого и случайного возникновения такого же числа событий на временных интервалах, соответствующих периоду регистрации. Нейроны полей AI и AAF достоверно не различались по особенностям временных паттернов их спонтанной активности (p>0.5).

Анализ временной структуры спонтанной активности нейронов первичной слуховой коры бодрствующих мышей выявил аналогичную картину – отдельные импульсы объединялись в пачки, содержащие 2-27 спайков у разных нейронов. У 47 % исследованных нейронов дисперсия числа импульсов в пачках не превышала 2 спайков. Величина межимпульсного интервала в пачках у разных нейронов занимала диапазон 6.5 – 41 мс. Пачки у разных нейронов включали от 73 до 100% спонтанных импульсов, т.е вероятность пачечной структуры спонтанной активности у исследованных нейронов слуховой коры составляла 0.7 – 1. Между нейронами полей AI и AAF отсутствовали достоверные различия по временным свойствам пачек спонтанных импульсов (p> 0.5).

Сравнение свойств спонтанной активности нейронов слуховой коры бодрствующих и наркотизированных мышей не выявило достоверных различий по таким показателям, как доля фоновых импульсов, объединенных в пачки, средняя длительность пачки импульсов, а также величина межимпульсного интервала в пачке (p>0.5). Средняя частота импульсации в пачках спонтанных спайков также достоверно не различалась у нейронов бодрствующих и наркотизированных мышей, но нами была отмечена тенденция к более высокой частоте спонтанной импульсации корковых нейронов у бодрствующих животных (p=0.08, тест Манна-Уитни). Таким образом, полученные данные позволяют предположить, что упорядоченная временная структура спонтанной активности нейронов слуховой коры наркотизированной мыши отличается высокой стабильностью и относительно слабо изменяется при пробуждении животного.

Обнаруженная нами строгая упорядоченность временной структуры спонтанной активности нейронов слуховой коры мыши послужила основанием для дальнейшего анализа ее фрактальных свойств. Для их оценки использовали показатели, описывающие вариабельность и периодичность системы, состоящей из определенного числа спонтанных импульсов, происходящих на данном временном интервале – т.н. факторы Фано и Аллана. Полученные результаты свидетельствуют, что временная структура фоновой импульсации нейронов слуховой коры как наркотизированных, так и бодрствующих мышей имеет признаки периодического процесса. Вместе с тем, данный вопрос требует дальнейшего детального изучения.

Литература

1. Хорунжий Г.Д., Егорова М.А. // Сборник материалов XXXIV сессии Российского акустического общества: сб. статей. Москва, 2022. С. 901-907.

2. Egorova M.A. //J. Evol. Biochem. Physiol. 2005. V. 41(4). P. 476.

3. Luczak A., Bartho P., Harris K.D // Neuron. 2009. V. 62. P.413-425.

4. Molnár Z., Luhmann H.J., Kanold P.O. //Science. 2020. V. 370(6514). P. eabb2153.

5. Sakata S., Harris K.D. // Frontiers Neural. Circuits. 2012. V. 6. P. 109.

Работа поддержана федеральным бюджетом по госзаданию № 075-00967-23-00

Temporal patterns of spontaneous activity of auditory cortex neurons in lightly anesthetized and awake mice

G.D. Khorunzhii1*, M.A. Egorova1

1.I.M. Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of Russian academy of sciences;

* khorunzhii.gd(at)gmail.com

The high spontaneous activity is a key feature of neurons located in mammalian auditory cortical area, by which the cortical and brainstem levels of auditory system are distinguished (Egorova, 2005; Luczak et al., 2009; Sakata, Harris, 2012). The ordered temporal structure of spontaneous activity of primary auditory cortex single neurons was shown as well as the role of neuronal spontaneous firing for providing of functional template of excitation-inhibition synchronization in cortical-thalamic neural networks was suggested by the studies carried on the anesthetized animals (Egorova, 2005; Molnar et al., 2020). In addition, the probability assessment of forming of burst temporal patterns of auditory cortical neurons spontaneous activity, which we performed in anesthetized mice, showed that these patterns occurrence differs from random one (Khorunzhii, Egorova, 2022). However, the affection of auditory cortex single neurons spontaneous firing to the sound analysis processes remains poorly understood. The properties of temporal structure of auditory cortex neurons spontaneous activity in awake animals are also insufficiently studied. Thus, the present study is aimed to both the assessment and comparison of temporal patterns of spontaneous spikes recorded from single auditory cortical neurons in anesthetized and awake mice.

The spontaneous discharges were extracellulary recorded from single neurons located in the primary auditory field (AI) and anterior auditory field (AAF) of auditory cortex both in anesthetized and awake mice. All neurons both in anesthetized and awake animals demonstrated high and temporally ordered spontaneous activity.

The orderliness of neuronal spontaneous activity in anesthetized mice occurred as a grouping of its spontaneous spikes into bursts, which in different units included 4-9 spikes. The number of spikes in one burst varied not only between different units but also between different bursts in the same neuron (by 2 – 3 spikes). The analysis of the variance of mean spike number in bursts, undertaken for each neuron, showed that the variance values were about one spike in 49% of studied neurons and about two spikes – in 68% of neurons. Bursts of spontaneous spikes, as a rule, were grouped into longer temporal patterns up to several seconds long, consisting of 9-10 bursts. We found these patterns in spontaneous spiking of 70% of cortical neurons and preliminary called them “hyper bursts”. In the studied neurons, from 40 to 100% of spontaneous spikes were combined into bursts, and 90–95% of bursts were combined into “hyper bursts”. Thus, the actual probability of formation of both burst and “hyper burst” ordered temporal structure of spontaneous activity of auditory cortex neurons in anesthetized mice was close to 1.0 value, which was dramatically higher than the probabilities of independent and random occurrence of the same number of events at time intervals corresponding to the recording period. The neurons in the AI and AAF fields did not differ significantly in the properties of the temporal patterns of their spontaneous activity (p>0.5).

An analysis of the spontaneous activity temporal structure of neurons in the primary auditory cortex of awake mice revealed a similar picture: individual spikes were combined into bursts containing 2–27 spikes in different neurons. In 47% of the studied neurons, the variance of mean spike number in bursts did not exceed 2 spikes. The values of the interspike intervals in bursts for different neurons were in the range of 6.5–41 ms. Bursts in different neurons included from 73 to 100% of spontaneous spikes, i.e., the probability of grouping of spontaneous spikes into bursts reached 0.7–1 for studied neurons.

Comparison of the properties of spontaneous firing of auditory cortical neurons in awake and anesthetized mice did not reveal significant differences in such characteristics as the percent of spontaneous spikes in bursts, the average duration of an individual burst, and the value of the interspike interval within a burst (p>0.5). The average frequency of firing in bursts of spontaneous spikes also did not differ significantly between the neurons of awake and anesthetized mice, but we noted a trend towards a higher frequency of spontaneous firing of cortical neurons in awake animals (p=0.08, Mann-Whitney test). Thus, the obtained data suggest that the ordered temporal structure of the spontaneous activity of neurons in the auditory cortex of the anesthetized mouse is highly stable and changes relatively little upon awakening of the animal.

The discovered strict orderliness of the temporal structure of the spontaneous activity of neurons in the mouse auditory cortex made reasonable the further analysis of its fractal properties. To evaluate them, we used indicators that describe both the variability and periodicity of a system consisting of a certain number of spontaneous spikes occurring at a given time interval - the so-called Fano and Allan factors. The obtained results indicate that the temporal structure of the spontaneous firing of auditory cortex neurons of both anesthetized and awake mice seems to demonstrate the signs of a periodic process. However, this aspect requires further detailed research.

References

1. Egorova M.A. //J. Evol. Biochem. Physiol. 2005. V. 41(4). P. 476.

2. Khorunzhii G.D., Egorova M.A. // Proc. of XXXIV Sess. Rus. Acoust. Soc. Moscow, 2022. P. 901-907. [In Russian]

3. Luczak A., Bartho P., Harris K.D // Neuron. 2009. V. 62. P.413-425.

4. Molnár Z., Luhmann H.J., Kanold P.O. //Science. 2020. V. 370(6514). P. eabb2153.

5. Sakata S., Harris K.D. // Frontiers Neural. Circuits. 2012. V. 6. P. 109.

This study is supported by funds of the State budget (the research theme No 075-00967-23-00)



Докладчик: Хорунжий Г.Д.
116
2023-02-10

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists