Hay, Y. A. et al. Thalamus mediates neocortical Down state transition via GABAB-receptor-targeting interneurons. Neuron 109, 2682-2690.e5 (2021).
Introduction
서파 수면 중에 뇌 활동은 Down state과 Up state을 오간다. Up은 국지적으로 개시되어 피질 표면에 퍼지고, passive하게 끝난다. Down은 피질 영역간에 매우 동기화되어 일어난다. 이는 그것을 조절하는 메커니즘이 있다는 뜻. Thalamus가 그러한 일을 할 수 있다.
Thalamus는 감각입력을 L4에 전달하는 sensory nuclei와 연합 영역과 감각 영역의 L1을 자극하는 비특이 nuclei로 나뉜다. 이 midline non-specific nuclei(시상의 안쪽 면)가 Down state를 조절한다는 게 이 논문의 요지
Results
Fig 1
MTN에 tetrode 박고 single unit recording 했고, PFC, M1, S1에서 LFP 쟀다. Thalamic neuron 들은 Up이 시작될 때 또는 끝날 때 활성을 보였다. 이 뉴런들을 optogenetics로 deactivate 시켰더니 Up state의 길이가 (살짝) 늘어났다. 반대로, activate시켰더니 Up state 길이가 짧아졌다. 그런데 GABAb receptor antagonist를 쳤더니 Down state로의 전환 확률이 줄어들었다. 즉, 시상이 GABAbR을 통해 Down 상태로의 전환을 유도한다는 것이다.
Fig 2
midline thalamic burst는 Up state에서 절반 이후에 치우쳐 있었다. antagonist 쳤을 때는 Up이 30% 길어졌다. optogenetic하게 silencing 했을 때는 Up state duration 길어졌는데, antagonist 치니까 이 효과도 사라짐. optogenetic하게 activate했더니 83%의 확률로 300ms 내에 Down transition이 일어남.
Fig 3
Necab1 thalamic neuron들은 L1에 투사해서 NGFC를 타겟하고 PC에 inhibitory current 일으킴. NGFC를 target하기 위해 NDNF-Cre mouse line 사용. Up State에서 NDNF IN 자극했더니 200ms 내로 90%의 경우 Up state이 끝남. 이 효과는 GABAb receptor antagonist 쳤을 때는 사라짐. PV IN 자극했을 때는 30%로 효과 감소. NDNF*ArchT쥐에서는 자극해서 비활성화하면 Up state duration 늘어남. 역시 이 효과는 Antagonist에 의해서 제거. 즉, L1 NDNF IN이 Necab1 thalamic neuron의 target이고, 이것들이 GABABR을 통해 Up state을 종료한다.
Fig 4
midline thalamic neuron은 널리 투사하고 있어서 slow wave sync에 중요. Necab1 cre mouse에 PFC, M1, S1, V2에 전극 꽂아서 관찰함. Necab1-ChR2 mouse에서는 light pulse를 가했을 때 300 ms 내로 절반의 확률로 세 피질 영역에서 down state가 됨. 이 효과는 antagonist 쳤을 때 감소. Necab1 thalamic neuron을 오랫동안 비활성화 했을 때는 slow oscillation power가 감소. PFC를 기준으로 Up-to-down delay의 나머지 영역의 stdev가 증가했음.
Up state는 PFC에서 처음 시작돼서 뇌 뒤쪽으로 퍼져나감. antagonist는 Up state initiation delay와 방향성을 감소시킴. SD도 증가. GABAbR을 막으면 Up state wave propagation이 방해된다.
Down state는 퍼져나가는게 아니라 더 synchronous 했다. dispersion도 더 낮았다 (?) 그런데 GABAbR 막으면 delay에는 변화 없고 대신 synchrony만 줄어든다.