The role of parvalbumin positive interneuron activity and plasticity in the prefrontal cortex for movement control

小清蛋白正性中间神经元活动和可塑性在前额叶皮质中对运动控制的作用

基本信息

项目摘要

Movement preparation and inhibition is a crucial skill-set for successfully interacting with the environment. As the executive hub, the medial prefrontal cortex (mPFC) plays a major role in learning, memorizing and executing this skill. Structural and synaptic plasticity in pyramidal cells have been shown to be a key component of learning, executing and recall of learned skills in the mPFC (Frankland et al., 2004; Restivo et al., 2009; Euston et al., 2012). However, how GABAergic inhibitory interneurons (INs) may contribute to the fine-tuning of movement preparation in the mPFC and how inhibitory signaling is changed during skill learning remains far of being understood. Here we hypothesize that changes in the efficacy of excitatory glutamatergic inputs targeting INs, similar to observations in the primary motor cortex (M1, TP6) and the hippocampus (TP1, TP7) may play a role in controlling movement preparation. We further propose that among the various IN types, parvalbumin (PV)-expressing, fast-spiking, perisomatic-inhibitory INs (PVIs) are particularly relevant in this skill (Kvitsiani et al., 2013, Pinto & Dan, 2015, Lagler et al., 2016). Previously, we have established a behavioural movement protocol combined with in vivo optogenetics and electrophysiology to investigate the neuronal underpinnings of movement control in rodents and found that specific subsections of the PFC differentially contribute to this behaviour (Hardung et al., 2017a; Hardung et al., 2017b). Here, we will focus on the role of PVIs in learning and executing the behavioural task. We aim (1) to define discharge activity of mPFC-PVIs during motor control and learning and (2) to identify the impact of mPFC-PVI neuronal activity on movement initiation and inhibition using a combination of in vivo optogenetics and electrophysiology. This will be paralleled by comparative experiments in M1 and the hippocampus by our partners (TP6 Poulet, TP7 Csicsvari). (3) We will further determine the effect of PVI activity on local neural network oscillations and – in collaboration with TP6 (Poulet) – on the putative communication with downstream motor cortex activity. (4) Finally, by applying ex vivo investigations in collaboration with Bartos (TP1), we will measure amplitudes of spontaneous and evoked excitatory signals in PVIs to examine whether PVIs inputs underwent plastic changes. Data will be compared between trained and untrained mice. With these four parallel approaches, the proposed project will provide detailed information on the impact of PVI-specific synaptic plasticity and PVI activity on cognitive movement control and learning and thereby bridge the gap between synaptic plasticity, neuronal activity, and behaviour.
运动准备和抑制是成功地与环境互动的关键技能。作为执行中枢的内侧前额叶皮质(MPFC)在学习、记忆和执行这一技能方面起着重要作用。锥体细胞的结构和突触可塑性已被证明是学习、执行和回忆mPFC中所学技能的关键组成部分(Frankland等人,2004;Restivo等人,2009;Euston等人,2012)。然而,GABA能抑制中间神经元(INS)如何参与mPFC中运动准备的微调,以及抑制信号在技能学习过程中如何改变,目前仍不清楚。在这里,我们假设针对INS的兴奋性谷氨酸能输入的有效性的变化,类似于在初级运动皮质(M1,TP6)和海马区(TP1,TP7)的观察,可能在控制运动准备方面发挥作用。我们进一步认为,在各种IN类型中,小白蛋白(PV)表达、快峰、周身抑制INS(PVI)与这一技能特别相关(Kvitsiani等人,2013,Pinto&Dan,2015,Lagler等人,2016)。此前,我们已经建立了结合体内光遗传学和电生理学的行为运动协议,以研究啮齿动物运动控制的神经元基础,并发现PFC的特定亚段对这一行为有不同的贡献(Hardung等人,2007a;Hardung等人,2007b)。在这里,我们将集中讨论PVI在学习和执行行为任务中的作用。我们的目标是(1)确定mPFC-PVI在运动控制和学习过程中的放电活动;(2)结合体内光遗传学和电生理学,确定mPFC-PVI神经元活动对运动启动和抑制的影响。这将与我们的合作伙伴(TP6 Poulet,TP7 Csicsvari)在M1和海马体中的比较实验相平行。(3)我们将进一步确定PVI活动对局部神经网络振荡的影响,以及与TP6(Poulet)合作对推测与下游运动皮质活动的联系的影响。(4)最后,通过与Bartos(TP1)合作的体外研究,我们将测量PVI中自发和诱发的兴奋信号的幅度,以检查PVI输入是否经历了可塑性改变。数据将在受过训练和未受过训练的老鼠之间进行比较。通过这四种平行的方法,拟议的项目将提供关于PVI特异性突触可塑性和PVI活动对认知运动控制和学习的影响的详细信息,从而弥合突触可塑性、神经元活动和行为之间的差距。

项目成果

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