Dissection of cortical microcircuits by single-neuron stimulation in vivo.
Dissection of cortical microcircuits by single-neuron stimulation in vivo.
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DOI：
10.1016/j.cub.2012.06.007
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发表时间：
2012-08-21
期刊：
影响因子：
9.2
通讯作者：
Dan, Yang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kwan, Alex C.;Dan, Yang
所有大脑功能的一个基本过程是兴奋性和抑制性神经元网络中尖峰活动的传播。在新皮质，尽管在脑片中对神经元之间的功能联系已经进行了广泛的研究，但它们在体内的特征仍然很差，在体内，高背景活动、整体大脑状态和神经调节可以强烈地影响突触传递。为了了解棘波是如何在活体的大脑皮层回路中传递的，我们使用双光子钙成像来监测整体活动，并使用有针对性的贴片来刺激小鼠视皮层中的单个神经元。单个锥体神经元的爆发峰电位可在~100微米半径范围内同时刺激兴奋性神经元和抑制性神经元的放电活动。对于抑制性神经元，约30%的生长抑素中间神经元对突触前≥-5峰的爆发做出可靠的反应。相反，小白蛋白中间神经元对单个神经元的刺激没有表现出可检测到的反应，但它们的峰电流与局部网络活动高度相关。我们的结果证明了在活体细胞分辨率下定位功能连接的可行性，并揭示了两个主要抑制电路的不同操作，一个检测单个神经元的棘波爆发，另一个反映分布式网络活动。
A fundamental process underlying all brain functions is the propagation of spiking activity in networks of excitatory and inhibitory neurons. In the neocortex, although functional connections between pairs of neurons have been studied extensively in brain slices, they remain poorly characterized in vivo, where the high background activity, global brain states, and neuromodulation can powerfully influence synaptic transmission. To understand how spikes are transmitted in cortical circuits in vivo, we used two-photon calcium imaging to monitor ensemble activity and targeted patching to stimulate a single neuron in mouse visual cortex. Burst spiking of a single pyramidal neuron can drive spiking activity in both excitatory and inhibitory neurons within a ~100 µm radius. For inhibitory neurons, ~30% of the somatostatin interneurons fire reliably in response to a presynaptic burst of ≥ 5 spikes. In contrast, parvalbumin interneurons showed no detectable responses to single-neuron stimulation, but their spiking is highly correlated with the local network activity. Our results demonstrate the feasibility of mapping functional connectivity at cellular resolution in vivo and reveal distinct operations of two major inhibitory circuits, one detecting single-neuron spike bursts and the other reflecting distributed network activity.
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