I hjärnbarken består lokala kretsar av tiotusentals nervceller, av vilka var och en bildar tusentals synapsförbindelser. Det kanske största hindret för att förstå dessa nätverk är att vi inte har några kopplingsscheman över deras sammankopplingar. Även om vi hade ett partiellt eller fullständigt kopplingsschema, skulle dock förståelsen av nätverket också kräva information om varje nervcells funktion. Här visar vi att relationen mellan struktur och funktion kan studeras i cortex med en kombination av in vivo-fysiologi och nätverk anatomi. Vi använde två-foton kalciumtomografi för att karakterisera en funktionell egenskap-den föredragna stimulansorientering-av en grupp neuroner i mus primära visuella cortex. Storskalig elektronmikroskopi av seriella tunna sektioner användes då för att spåra en del av dessa neuroners lokala nätverk. I överensstämmelse med en förutsägelse från nyligen genomförda fysiologiska experiment fick hämmande interneuroner konvergent anatomisk input från närliggande excitatoriska neuroner med ett brett spektrum av föredragna inriktningar, även om svaga fördomar inte kunde förkastas. Tidigare studier av synapsförbindelserna i cortex har fokuserat på några celler åt gången, så att vi idag bara har partiell information om strukturen av mycket sammankopplade kortikala nätverk. Fram till nyligen förlitade sig anatomister på den glesa märkningen av enskilda neuroner för att spåra de omfattande axonala och dendritiska argorerna hos kortikala neuroner. Synaptiska konnektivitet ursprungligen härleds från överlappningen av axonal och dendritisk arbors 1, ett tillvägagångssätt som förblir givande idag 2,3. Kombinerade fysiologiska och anatomiska studier av kortikala skivor in vitro har utökat denna analys till att omfatta regler för parvis anslutning mellan olika celltyper och kortikala skikt 4-6. Det har hävdats att det kortikala nätverket kan vara slumpmässigt bortom dessa enkla statistiska regler 7, men färska studier tyder på att det kan finnas högre ordning mönster av anslutningar i kortikala nätverk, såsom ömsesidigt sammankopplade trioler av celler 8, och subnätverk av neuroner som är mycket anslutna inom en grupp, men inte mellan grupper 9,10. Även om dessa hypothesize mönster är baserade på in vitro fysiologiska data, de har aldrig visats anatomiskt, inte heller har de varit relaterade till information bearbetning som mäts från neurala responsegenskaper in vivo. Elektronmikroskopi (EM) är ett idealiskt verktyg för att karakterisera den mycket sammankopplade strukturen av kortikala nätverk. Från att visualisera quantal release av synaptiska vesiklar 11 till att generera en komplett kabeldiagram över en modell organism 12, har det lämnat definitiva data för att undersöka förhållandet mellan struktur och funktion i nervsystemet. Elektrofysiologi kombinerat med ljusmikroskopi och serie-sektion EM har tillåtit inspektion av struktur-funktionsrelationer av enskilda celler inom neurala kretsar, såsom hippocampus 13, näthinnan 14,15, thalamus 16 och cortex 17-20. En avgörande skillnad från ljusmikroskopi är att seriesektion EM kan användas för att följa de tredimensionella konturerna av neuronala membran, så att varje given axon eller dendrit kan spåras över hundratals mikrometer utan selektiv, gles färgning av enskilda neuroner. Denna egenskap hos seriell sektion EM har använts för att undersöka små volymer av kortikal vävnad, vanligtvis numrering i tusentals kubikmikrometer, där delar av flera dendriter och axoner rekonstruerades för att undersöka synaptiska relationer bland dem (ref. 21, 22, jämför ref. Detta anslag är avsett att täcka utgifter för studier, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter och experter samt andra administrativa utgifter. Här utnyttjade vi den senaste tidens förbättringar i datahastighet och lagringskapacitet för att utföra seriell sektion EM av en volym som omfattar miljontals kubikmikrometer, tillräckligt för att innehålla stora delar av dendritiska och axonala arbors av mer än 1000 celler. Med denna datamängd, kan vi försöka en provtagning-riktad till en delmängd av funktionellt avbildade celler-av de täta sammankopplingar som finns i ett kortikalt nätverk. I synnerhet testade vi en något kontroversiell förutsägelse från senaste fysiologiska arbete (ref 24-27, jämför refs 28, 29): att hämmande interneuroner i musen primära visuella cortex får tät, konvergent ingång från närliggande excitatoriska (pyramidala) neuroner med mycket varierande föredragna stimulans inriktningar (Fig. 1a).............................................................................................. Vi använde in vivo två-foton kalciumtomografi för att bestämma preferenser för stimulansorientering av en kohort av celler i lager 2/3 av mus primära visuella cortex 27, 30. Efter laddning celler med fluorescerande kalcium indikator Oregon Green BAPTA-1 AM (OGB) 31, vi registrerade neuronal aktivitet som återspeglas av ökningar av intracellulärt kalcium från ett enda plan av celler 186 mm under hjärnytan. Svart och vit bar av olika inriktningar och riktningar presenterades för det bedövade djuret, och de cellulära svaren användes för att generera en karta över orientering preferenser ( Bild. 1b och kompletterande bild 1; Metoder). Vi avslutade in vivo-experimentet genom att samla en bunt bilder från en volym som omgav det kalkbildade planet ( Bild. 1c ; röda, kärl; gröna, nervceller). Vi sedan omedelbart perfunderade djuret och förberedde motsvarande volym av visuell cortex för seriell överföring EM (TEM; Metoder). Efter att ha hittat den kalciumbildade regionen av cortex (Metoder), skär vi en serie av 1 215 tunna sektioner (40-45 nm), orienterade radiellt, i rät vinkel mot det funktionellt avbildade planet (Fig. 1b, c).......................................................................................................... Varje sektion var tillräckligt bred (450 mm) för att omfatta det avbildade planet, och tillräckligt hög (350 mm) för att omfatta kortikala lager 1, 2/3 och övre 4 (Fig. 2a, b, Tilläggsfilm 1). Även kortikala axoner kan
Bock m.fl. REF presenterar ett kraftfullt exempel på hur EM-kretsrekonstruktion gör det möjligt att bestämma förhållandet mellan struktur och funktion av den visuella cortex.
Network anatomy and in vivo physiology of visual cortical neurons
{'venue': 'Nature', 'journal': 'Nature', 'mag_field_of_study': ['Biology', 'Medicine']}