Contribution of neural networks to Alzheimer disease's progression.

The neuropathology of Alzheimer disease is characterized by senile plaques, neurofibrillary tangles and cell death. These hallmarks develop according to the differential vulnerability of brain networks, senile plaques accumulating preferentially in the associative cortical areas and neurofibrillary tangles in the entorhinal cortex and the hippocampus. We suggest that the main aetiological hypotheses such as the beta-amyloid cascade hypothesis or its variant, the synaptic beta-amyloid hypothesis, will have to consider neural networks not just as targets of degenerative processes but also as contributors of the disease's progression and of its phenotype. Three domains of research are highlighted in this review. First, the cerebral reserve and the redundancy of the network's elements are related to brain vulnerability. Indeed, an enriched environment appears to increase the cerebral reserve as well as the threshold of disease's onset. Second, disease's progression and memory performance cannot be explained by synaptic or neuronal loss only, but also by the presence of compensatory mechanisms, such as synaptic scaling, at the microcircuit level. Third, some phenotypes of Alzheimer disease, such as hallucinations, appear to be related to progressive dysfunction of neural networks as a result, for instance, of a decreased signal to noise ratio, involving a diminished activity of the cholinergic system. Overall, converging results from studies of biological as well as artificial neural networks lead to the conclusion that changes in neural networks contribute strongly to Alzheimer disease's progression.

Neural Circuits: Male Mating Motifs.

Characterizing microcircuit motifs in intact nervous systems is essential to relate neural computations to behavior. In this issue of Neuron, Clowney et al. (2015) identify recurring, parallel feedforward excitatory and inhibitory pathways in male Drosophila's courtship circuitry, which might explain decisive mate choice.

Dendritic spikes in apical dendrites of neocortical layer 2/3 pyramidal neurons

Layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons are the most abundant cells of the neocortex. Despite their key position in the cortical microcircuit, synaptic integration in dendrites of L2/3 neurons is far less understood than in L5 pyramidal cell dendrites, mainly because of the difficulties in obtaining electrical recordings from thin dendrites. Here we directly measured passive and active properties of the apical dendrites of L2/3 neurons in rat brain slices using dual dendritic-somatic patch-clamp recordings and calcium imaging. Unlike L5 cells, L2/3 dendrites displayed little sag in response to long current pulses, which suggests a low density of I(h) in the dendrites and soma. This was also consistent with a slight increase in input resistance with distance from the soma. Brief current injections into the apical dendrite evoked relatively short (half-width 2-4 ms) dendritic spikes that were isolated from the soma for near-threshold currents at sites beyond the middle of the apical dendrite. Regenerative dendritic potentials and large concomitant calcium transients were also elicited by trains of somatic action potentials (APs) above a critical frequency (130 Hz), which was slightly higher than in L5 neurons. Initiation of dendritic spikes was facilitated by backpropagating somatic APs and could cause an additional AP at the soma. As in L5 neurons, we found that distal dendritic calcium transients are sensitive to a long-lasting block by GABAergic inhibition. We conclude that L2/3 pyramidal neurons can generate dendritic spikes, sharing with L5 pyramidal neurons fundamental properties of dendritic excitability and control by inhibition.

A dendrodendritic reciprocal synapse provides a recurrent excitatory connection in the olfactory bulb

Neuronal synchronization in the olfactory bulb has been proposed to arise from a diffuse action of glutamate released from mitral cells (MC, olfactory bulb relay neurons). According to this hypothesis, glutamate spills over from dendrodendritic synapses formed between MC and granule cells (GC, olfactory bulb interneurons) to activate neighboring MC. The excitation of MC is balanced by a strong inhibition from GC. Here we show that MC excitation is caused by glutamate released from bulbar interneurons located in the GC layer. These reciprocal synapses depend on an unusual, 2-amino-5-phosphonovaleric acid-resistant, N-methyl-d-aspartate receptor. This type of feedback excitation onto relay neurons may strengthen the original sensory input signal and further extend the function of the dendritic microcircuit within the main olfactory bulb.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Altered oscillatory dynamics of CA1 parvalbumin-basket cells during theta-gamma rhythmopathies of temporal lobe epilepsy

Recent reports in human demonstrate a role of theta– gamma coupling in memory for spatial episodes and a lack of coupling in people experiencing temporal lobe epilepsy, but the mechanisms are unknown. Using multisite silicon probe recordings of epileptic rats engaged in episodic-like object recognition tasks, we sought to evaluate the role of theta– gamma coupling in the absence of epileptiform activities. Our data reveal a specific association between theta– gamma (30 – 60 Hz) coupling at the proximal stratum radiatum of CA1 and spatial memory deficits. We targeted the microcircuit mechanisms with a novel approach to identify putative interneuronal types in tetrode recordings (parvalbumin basket cells in particular) and validated classification criteria in the epileptic context with neurochemical identification of intracellularly recorded cells. In epileptic rats, putative parvalbumin basket cells fired poorly modulated at the falling theta phase, consistent with weaker inputs from Schaffer collaterals and attenuated gamma oscillations, as evaluated by theta-phase decomposition of current–source density signals. We propose that theta– gamma interneuronal rhythmopathies of the temporal lobe are intimately related to episodic memory dysfunction in this condition.