Dissociating the role of interneurons in sensory processing

Abstract

There are a number of studies supporting both a rate and a temporal neural coding strategies. Whether information is encoded in the brain by one or the other is a hotly debated open question in the field of neuroscience. Both coding schemes seem to be involved in the processing of different features of a same stimulus. Therefore, it is likely they dynamically coexist in the brain. In both strategies, a balance between excitation and inhibition (E/I) and its necessary synchronous neuronal activity are critical for an adequate processing of sensory information. Inhibition seems to have a particularly important role in these processes. Thus, it is important to take into account the diversity of inhibitory neuronal populations and their distinct characteristics, leading us to hypothesise that different classes of interneurons are involved in the regulation of activity-dependent transmission of different stimuli features by shifting processing of information towards a temporal or rate code. In this project, in order to elucidate the proposed mechanisms, I combined optogenetic tools with in vitro electrophysiology recordings and in vivo two-photon calcium imaging of neural activity in the mouse barrel cortex. By combining cell-type specific expression of optogenetic actuators with optogenetic reporters, I established a methodological approach to dissect the role of inhibitory neurons in sensory processing. Results obtained in vitro revealed a distinct role on the inhibition provided by Stt+ and PV+ inhibitory neurons during synaptic transmission of thalamocortical inputs. In vivo experiments support electrophysiological results by suggesting a close relation between PV+ interneurons and excitatory cells activity during sensory processing. These results are in accordance with my initial hypothesis that cortical interneurons subpopulations have distinct roles in maintaining the balance between excitation and inhibition during sensory processing. This will guide further studies into the relative contribution of interneurons subpopulations for the coding strategies used in somatosensoryprocessing.

Existe um grande número de estudos a suportar a existência de ambas as estratégias de codificação neuronal baseadas na frequência ou no timing de potenciais de ação. Se informação é codificada no cérebro através de uma ou de outra, é atualmente uma questão em acesa discussão na área das neurociências. Ambas as estratégias de codificação parecem estar envolvidas no processamento de diferentes aspetos de um mesmo estímulo. Assim, é provável que elas coexistam no cérebro através de uma interação dinâmica. Em ambas, o balanço entre excitação e inibição (E/I) e a sua necessária de atividade neuronal sincronizada são aspetos críticos para um correto processamento de informação sensorial. A inibição parece ter um papel particularmente importante nestes processos. Assim, é importante ter em consideração a diversidade de populações de interneurónios e suas distintas características, o que nos leva a hipotetizar que diferentes classes de interneurónios estão envolvidas na regulação da transmissão de diferentes aspetos de um estímulo direcionando o processamento de informação para uma ou outra estratégia de codificação. Assim, neste projeto, com o objetivo de esclarecer os mecanismos propostos, eu combinei ferramentas optogenéticas com registos eletrofisiológicos in vitro e imagiologia de cálcio com microscopia de excitação de dois fotões in vivo para medir atividade neuronal no barrel córtex de ratinho. Combinando expressão de actuadores optogenéticos em células específicas com repórteres optogenéticos, estabeleci um método para dissociar o papel de neurónios inibitórios no processamento sensorial. Resultados obtidos in vitro revelaram um papel distinto na inibição proporcionada por neurónios Stt+ e PV+ durante transmissão sináptica de inputs talamocorticais. Experiencias in vivo suportam os resultados eletrofisiológicos, sugerindo uma relação próxima entre a atividade de interneurónios PV+ e células excitatórias durante o processamento sensorial. Estes resultados corroboram a minha hipótese inicial de que populações corticais de interneurónios têm papéis distintos na manutenção do balanço entre excitação e inibição durante processamento sensorial. Desta forma, irão guiar futuros estudos no papel das subpopulações de interneurónios nas estratégias de codificação empregues em processamento somatosensorial.