Using spontaneous and evoked activity to identify subregional specialisations of corticorecipient areas

Abstract

El cerebro genera actividad continuamente, tanto producida de forma espontánea como en respuesta a estímulos sensoriales. Esta actividad puede propagarse a otras áreas cerebrales, estableciendo una asociación en su funcionamiento. El estudio de dicha conectividad funcional es uno de los principales objetivos de la neurofisiología. Esta Tesis Doctoral se centra en dos sistemas, el corticoestriatal y el interhemisférico, y describe subregiones locales funcionales individualizadas por aferentes corticales en base al análisis de la actividad neuronal. La primera parte está centrada en el estudio de la transmisión sináptica entre varias áreas de la corteza cerebral y el estriado dorsal, el sistema corticoestriatal. Estudios conductuales han dividido el estriado dorsal de los roedores en dos regiones funcionalmente diferenciadas, lateral y medial. Sin embargo, la mayoría de la evidencia anatómica sugiere que el estriado dorsal está formado por una estructura única. Para comprender las funciones del cuerpo estriado dorsal, es fundamental aclarar cuál es la interpretación más precisa. En este trabajo, demostramos que el estriado dorsal puede entenderse mejor dividido en dos circuitos funcionales, el dorsolateral y el dorsomedial. Dicha separación se basa en las diferentes propiedades de las neuronas que los forman y en cómo integran la actividad espontanea de onda lenta. Para realizar esta investigación, combinamos el uso de registros de whole-cell patch-clamp en las regiones lateral y medial del estriado dorsal y LFP en varias áreas corticales in vivo. Hemos encontrado que el cuerpo estriado dorsomedial está más fuertemente modulado por la corteza visual primaria que por el área de asociación frontal, mientras que la relación opuesta se mantiene para el cuerpo estriado dorsolateral. Además, la corteza motora primaria y la somatosensorial modulan más estrechamente el cuerpo estriado dorsolateral que el dorsomedial. Así, gracias a su relación con partes específicas de la neocorteza, el estriado dorsolateral y dorsomedial pueden considerarse dos circuitos separados, no superpuestos. Nuestros resultados favorecen la homología entre el putamen y caudado de primates con el estriado dorsolateral y dorsomedial del ratón respectivamente. La segunda parte de esta tesis estudia la transmisión sináptica mediada por el cuerpo calloso y más concretamente, cómo diferentes regiones de la corteza de barriles de ambos hemisferios cerebrales intercambian información en el ratón. Los roedores mueven los bigotes de ambos lados de su hocico para palpar y explorar el espacio circundante. Los bigotes se organizan dorsoventralmente en 5 filas longitudinales: desde la fila A, junto a la línea media dorsal facial, hasta la fila E, justo encima de la abertura bucal. La corteza de barriles contiene una representación somatotópica de estos bigotes. Cada columna de barriles responde principalmente a la estimulación del bigote contralateral correspondiente a través de vías bien caracterizadas del tronco del encéfalo al tálamo y, finalmente, a la corteza. Además, la corteza de barriles recibe axones aferentes callosos de la contralateral. La inervación callosa se distribuye de forma heterogénea: es escasa en la mayor parte de la corteza de barriles, pero muy densa en una subregión (coordenada posterolateral) que es adyacente a la corteza somatosensorial secundaria y que contiene la representación de la fila A de los bigotes. A pesar de estas diferencias conocidas entre subregiones, hasta ahora ningún estudio ha caracterizado las respuestas sensoriales mediadas por el cuerpo calloso en relación con los distintos patrones de inervación. Para estudiar la contribución callosa en subregiones de la corteza de barriles con innervación escasa (anteromedial) y densa (posterolateral), utilizamos: inmunoensayos de c-Fos, whole-cell patch-clamp en el ratón anestesiado junto con estimulación de bigotes contra- e ipsilaterales (fila A y fila E), optogenética y técnicas farmacológicas. Hemos encontrado que la contribución callosa a la actividad de la corteza de barriles es mayor en la subregión posterolateral que en la anteromedial. En la primera, el reclutamiento sináptico tras el desplazamiento de los bigotes homotopicos es tan vigoroso que una gran proporción de neuronas responde de manera casi idéntica a la estimulación contra- e ipsilateral de la fila A. Los campos receptivos contralaterales e ipsolaterales superpuestos son típicos de las partes del cuerpo (axiales y para-axiales) dedicadas a la línea media del espacio sensorial, por lo que también los bigotes se ajustan a esta regla general en oposición a lo que se creía hasta ahora. Además, demostramos que la estimulación ipsilateral de los bigotes recluta la inhibición de tipo feed-forward en la corteza de barriles, y que las columnas de barriles de la misma identidad en los dos hemisferios están más estrechamente acopladas que los barriles con identidad diferente a través del cuerpo calloso.