Role of thalamic input in the development of sensory cortical maps

Abstract

Sensory systems are represented in the primary sensory areas of the cerebral cortex by anatomical and functional maps, as the whisker pad representation in the barrel field of S1 in rodents. The compartmentalization of the cerebral cortex into specialized sensory-modality areas is primarily defined by intrinsic molecular determinants. Many intrinsic and extrinsic factors have been proposed to shape sensory maps during early development. Neuronal activity from the sensory periphery is assumed to drive topographic organization of sensory cortex, but thalamocortical columns, a key organizational feature of the cortex, emerge even without peripheral sensory input. Thalamocortical axons (TCA) form a precise topographical projection that conveys the majority of sensory and motor information to the cerebral cortex. This connectivity is formed prenatally and is becoming increasingly clearer that TCA influence several aspects of cortical development, such as cortical areal specification or sensory maps tuning. Previously, we reported that embryonic thalamic activity regulates the size of sensory cortical areas in mice. Now, this thesis demonstrates that thalamic waves are not only essential in the context of plasticity after sensory input loss but we provide the first causal link between intrinsic thalamic activity in the embryo and cortical map formation. In this work, we identify that the fundamental columnar organization of the thalamocortical somatotopic map already exists in the mouse embryo. Blocking thalamic calcium waves results in hyperexcitability of cortical circuits, columnar organization fails, barrels never emerge, and the somatosensory map loses its point-to-point spatial and functional organization. Our results reveal that a self-organized, intrinsicprotomap in the embryonic thalamus drives functional assembly of thalamocortical sensory circuits.

Los sistemas sensoriales se encuentran representados en las cortezas sensoriales primarias del cerebro en forma de mapas anatómicos y funcionales. Tanto factores intrínsecos como extrínsecos han sido propuestos como principales moduladores del desarrollo de las áreas y mapas sensoriales. La actividad neuronal que proviene de los órganos periféricos se considera la principal inductora de la organización topográfica existente en las cortezas sensoriales; sin embargo, las columnas talamocorticales, emergen sin necesidad de input sensorial periférico. Los axones talamocorticales forman una proyección topográfica precisa que transmite la mayor parte de la información sensorial y motora que recibe la corteza. Este circuito se forma prenatalmente y por ello podría estar influyendo diversos aspectos del desarrollo de la corteza cerebral, entre otros la especificación de las áreas corticales y la generación de los mapas sensoriales antes del nacimiento. Previamente, hemos mostrado como la actividad del tálamo prenatal modula el tamaño de las áreas sensoriales de la corteza. En este trabajo mostramos que el patrón prenatal de la actividad talámica es esencial no sólo como mecanismo homeostático para regular el tamaño de las diferentes cortezas sensoriales, sino también juega una función importante en la formación de los mapas sensoriales. Concretamente, hemos determinado que la organización columnar del mapa somatosensorial existe prenatalmente. Mostramos por primera vez una conexión causal entre la actividad talámica intrínseca en el embrión y la formación del mapa somatosensorial. Cuando modificamos la actividad embrionaria talámica de sincrónica a asincrónica, los circuitos corticales se vuelven hiperexcitables, la organización columnar no se genera, los barriles no se forman y el mapa somatosensorial pierde su organización punto a punto, tanto a nivel anatómico como funcional. Nuestros resultados revelan que el protomapa intrínseco del tálamo controla el ensamblaje anatómico y funcional del circuito talamocortical.