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Publicação
Multisensory determinants of OC2M activity
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Humanos e animais interagem num ambiente de enorme complexidade, em cujos sentidos são continuamente expostos a um inúmero conjunto de eventos embebidos de ruído. A informação sensorial primária é filtrada e processada, sendo os eventos relevantes combinados pelo sistema nervoso central por forma a criar uma representação interna do mundo exterior. É neste frágil equilíbrio estabelecido entre essa representação interna e o mundo exterior que se constrói aquilo que designamos por consciência. Não obstante, o processo pelo qual a informação multissensorial primária é conjugada para formar a representação interna de uma realidade exterior é ainda desconhecida. A região anatómica designada no rato como Oc2m, em certa medida, equiparável ao córtex parietal posterior humano, é uma região de convergência envolvida na integração multissensorial. Investigar os microcircuitos locais, as interações entre as diferentes populações neuronais e o código subjacente numa região de convergência modelo como Oc2m, é um passo fundamental para a compreensão da arquitectura do sistema nervoso central e os seus subsistemas.
Neste projecto, ampliamos a mais recente tecnologia de hardware e software disponível para criar um paradigma experimental, conjugando a manipulação de pistas multissensoriais com a inibição selectiva de Oc2m e o registo simultâneo da actividade neuronal em Oc2m e hipocampo (CA1) em ratos que se movimentam livremente num espaço controlado. No âmbito deste projecto foi implementado o sistema de aquisição, a integração dos diferentes subsistemas de hardware, a construção dos implantes e respectivos eléctrodos, as cirurgias de colocação dos implantes, as diferentes fases de treino e comportamento animal, a implementação de código fonte para integração e análise dos dados de comportamento e electrofisiologia in-vivo obtidos em Oc2m e hipocampo (CA1).
O elevado número de eléctrodos concentrados na região anatómica de Oc2m permitiu uma análise detalhada e a compartimentação das sub-regiões funcionais de Oc2m. A metodologia utilizada passou pela divisão de OC2m em oito sub-regiões anatómicas anterior/ posterior, medial/ lateral, layers 2-3 e 4-5. As respostas evocadas obtidas em Oc2m sugerem a existência de especializações funcionais nas diferentes sub-regiões de Oc2m, assim como um conjunto de microcircuitos envolvidos na propagação de sinal, verificando-se esta última, dependente da modalidade do estímulo sensorial. A resposta evocada em Oc2m com estímulo auditivo é iniciada na sub-região anatómica de OC2m anterior-medial e propagada, lateral e posteriormente. Por outro lado, a resposta evocada com estímulo visual inicia na porção anatómica de Oc2m anterior-lateral, sendo propagada lateralmente para a linha média e posteriormente no eixo rostro-caudal. A resposta evocada em Oc2m com um estímulo visual e auditivo simultâneo gera uma activação proeminente sobretudo concentrada na sub-região anatómica Oc2m posterior-medial. A dinâmica temporal da actividade neuronal de Oc2m revela uma fina articulação entre populações neuronais com actividade oscilatória nas bandas frequências teta, beta e gama, a qual permitiu identificar fases distintas na resposta ao estímulo sensorial evocado. Tal dinâmica revelou-se sensível ao silenciamento dos neurónios de Oc2m com DREADDs hM4Di.
O trabalho desenvolvido no âmbito desta tese vai guiar a implementação, num futuro próximo, de um conjunto de experiências com uma perturbação selectiva e reversível de cada uma das fases identificadas através da utilização de optogenética com elevada precisão temporal (milissegundos). Esta metodologia vai permitir estabelecer uma ligação causal entre padrões de actividade neuronal obtidos numa escala micro- e mesoscópica e os processos de escolha observados numa escala macroscópica ao nível do comportamento animal.
Humans and animals interact in a complex environment where senses are constantly flooded with noisy information that must be filtered and combined to form an accurate representation of external world. However, where and how in the central nervous system do sensory inputs merge to form the internal representation of the external world is still unclear. Oc2M is a convergence region between the primary sensory and the high order cortices. Revealing the temporal dynamics of Oc2m is a necessary step in understanding central nervous system architecture, providing accurate models for the underlying neural coding and sub-system interactions. In the present thesis we manipulated the external visual and auditory sensory cues and the inner Oc2m circuitry by using inhibitory chemogenetics, while we recorded the neural activity simultaneously from Oc2m and hippocampal CA1 regions in freely behaving rats. Stimulus evoked responses suggest Oc2m has specialized functional sub-domains. Sound evoked responses are initiated in the anterior medial Oc2m and then propagated laterally and posteriorly, whereas the responses to light stimulations start in the anterior-lateral Oc2m division, propagating laterally to the mid-line and posteriorly. Mixed-mode stimulation elicits a prominent response concentrated in the posterior medial Oc2m, suggesting the simultaneous integration of responses initiated in anterior Oc2m, and propagated to the posterior sub-region. Temporal dynamics of Oc2m responses involve the interplay between neural populations oscillating in theta, beta, gamma and high-gamma frequency bands, marked by distinct phases during stimulus-evoked response, sensitive to the local silencing of Oc2m neurons. Such work will lead, in the near future, to a set of refined experiments in which we will perturb the activity in Oc2m, using precision optogenetic manipulations targeting specific neural populations and evaluate changes in Oc2m-related circuitry and choice behavior.
Humans and animals interact in a complex environment where senses are constantly flooded with noisy information that must be filtered and combined to form an accurate representation of external world. However, where and how in the central nervous system do sensory inputs merge to form the internal representation of the external world is still unclear. Oc2M is a convergence region between the primary sensory and the high order cortices. Revealing the temporal dynamics of Oc2m is a necessary step in understanding central nervous system architecture, providing accurate models for the underlying neural coding and sub-system interactions. In the present thesis we manipulated the external visual and auditory sensory cues and the inner Oc2m circuitry by using inhibitory chemogenetics, while we recorded the neural activity simultaneously from Oc2m and hippocampal CA1 regions in freely behaving rats. Stimulus evoked responses suggest Oc2m has specialized functional sub-domains. Sound evoked responses are initiated in the anterior medial Oc2m and then propagated laterally and posteriorly, whereas the responses to light stimulations start in the anterior-lateral Oc2m division, propagating laterally to the mid-line and posteriorly. Mixed-mode stimulation elicits a prominent response concentrated in the posterior medial Oc2m, suggesting the simultaneous integration of responses initiated in anterior Oc2m, and propagated to the posterior sub-region. Temporal dynamics of Oc2m responses involve the interplay between neural populations oscillating in theta, beta, gamma and high-gamma frequency bands, marked by distinct phases during stimulus-evoked response, sensitive to the local silencing of Oc2m neurons. Such work will lead, in the near future, to a set of refined experiments in which we will perturb the activity in Oc2m, using precision optogenetic manipulations targeting specific neural populations and evaluate changes in Oc2m-related circuitry and choice behavior.
Descrição
Tese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2017
Palavras-chave
Oc2m V2ML Multisensorial Integração Convergência Teses de mestrado - 2017