Developmental progression of thalamic and cortical sensory networks in mice

Abstract

A key question that remains unclear in Developmental Neuroscience is to understand how thalamic spontaneous activity contributes to the emergence and plasticity of cortical sensory maps. Spontaneous neural activity during development plays an important role in the establishment of thalamocortical circuitry in sensory areas before sensory onset. It is thought that the cortical activity at perinatal stages strengthens synaptic connections that will define sensory maps. Spontaneous activity in the developing cortex has been well characterized: it starts as highly correlated patches of active neurons that, after the first postnatal week in mice, switches to a sparser and decorrelated neuronal firing that allows an efficient neuronal coding. By contrast, the profile and function of spontaneous activity in the developing thalamus remains largely unknown. Here, we described the maturation of the spontaneous spiking activity in the thalamic nuclei of mice aged from postnatal day 6 to 14. The overexpression of Kir2.1 in the developing thalamus not only alters this maturation but also affects the electrical activity in the corresponding sensory cortices. We have also observed this link between the maturation of the thalamic and cortical stations in models of early sensory deprivation. When visual input is removed embryonically, the visual and somatosensory thalamus and cortex exhibit abnormal patterns of spontaneous activity at immature stages. In the visually deprived pups, neurons from the primary somatosensory cortex respond faster upon whisker stimulation, a fact that might underlie more efficient information processing in the intact sensory modalities. Our results evidence that normal thalamic activity during development is crucial for the correct organization of cortical circuits and for cross-modal changes both in thalamus and cortex after sensory deprivation.

Entender cómo la actividad espontánea del tálamo durante el desarrollo contribuye a la formación y plasticidad de los mapas sensoriales corticales es una pregunta clave en el campo de la neurociencia. Durante el desarrollo del sistema nervioso, los circuitos talamocorticales se activan de manera espontánea con patrones de actividad que van cambiando a medida que los circuitos maduran. Estos cambios de patrones son estereotípicos y se relacionan con un proceso normal de desarrollo del sistema talamocortical. La actividad espontánea en la corteza cerebral ha sido bien caracterizada: comienza siendo sincrónica y en grupos grandes de neuronas y, posteriormente, se desincroniza para ganar eficiencia en la codificación de la información. Por otro lado, el perfil y la función de la actividad talámica durante el desarrollo postnatal todavía no se conocen con claridad. En esta tesis describimos cómo madura el patrón de actividad espontánea en los núcleos talámicos sensoriales de ratones durante las dos primeras semanas postnatales. Cuando alteramos estos patrones mediante la sobreexpresión de Kir2.1 en el tálamo, encontramos que no solo el tálamo presenta defectos sino también las cortezas correspondientes. Esta relación entre los patrones de actividad del tálamo y la corteza se observa también en modelos de deprivación sensorial. Al quitar la entrada sensorial visual, encontramos deficiencias en la maduración de los patrones de actividad espontánea tanto en la vía visual como en la somatosensorial. Además, en estos ratones privados, las neuronas de la corteza somatosensorial primaria responden más rápido a la estimulación de los bigotes. Esta plasticidad entre modalidades sensoriales podría explicar en parte un procesamiento más eficiente de la información somatosensorial ante un déficit visual.