Forma e Informazione Informazione in neurobiologia

Forma e Informazione in
neurobiologia
spunti su DNA
DNA,, neuroni
neuroni,, fisiologia e plasticità
e l’area modello del cervelletto
Giorgio Grasselli
SISRI--Nord, Bologna / Skype, 28 Feb 2015
SISRI
Sommario
• Sistema nervoso: elaboratore di informazione,
generatore di output motori
• Informazione genetica + ambientale 
sviluppo del sistema nervoso
• Struttura e funzione del network del
cervelletto
• Codifica dell’informazione
• Codifica della memoria (plasticità neuronale)
Il sistema nervoso in una prospettiva evolutiva:
Ambiente esterno e movimento
Spugna: filtratore sessile
(nessun neurone!)
ELABORAZIONE E
MEMORIA
Animali multicellulari mobili:
Comparsa dei NEURONI
INFORMAZIONI:
Ambiente esterno
Informazioni dal corpo
RISPOSTA (motoria)
Lo sviluppo del neurone
Il Cervelletto
Lo sviluppo del neurone
Sviluppo del network nervoso nel
cervelletto
a) Differenziamento del neurone
b) Innervazione e “sfoltimento”
**
*
**
***
PF
CF
Purkinje cell
c) migrazione
d) Segregazione di territori sinaptici
Il sistema nervoso:
struttura e deduzioni funzionali
Ramòn y Cajal
Il Cervelletto
La corteccia cerebellare
Parallel Fibre
(PF)
Purkinje Cell
(PC)
Climbing Fibre
(CF)
mod. from Ohtsuki et al., 2012 Neuon
CF
PC
mod. from Purves et al., "Neuroscience" (2004)
mod from Sugihara & Shinoda, 1999, J Comp Neurol
GFP / VGLUT-2
Le fibre rampicanti
GFP
50 µm
mod. from Grasselli et al., 2011 PLoS ONE
Long-term depression (LTD):
teoria di Marr-Albus-Ito
dell’apprendimento del cervelletto
Parallel Fibre
(PF)
Purkinje Cell
(PC)
Correnti sinaptiche
LTD
Climbing Fibre
(CF)
Mod from Piochon et al., 2014 Nat Commun
Integrazione sinaptica
Morfologia dendritica in topi sani e topi mutanti atassici (SK2-/-)
Distance of max #
WT
WT (n=10)
SK2-/- (n=7)
SK2-/-
50 µm
25
0
50
100
150
0
50
100
150
20
Max #
Intersections (#)
30
15
10
5
0
200
Radius (µm)
Grasselli et al., submitted
PLASTICITA’ SINAPTICA E NON-SINAPTICA
Parallel fibers
Inhibitory
interneuron
LTP
LTD
Intrinsic plasticity
Granule
cell
Purkinje
cell
Deep
cerebellar
nuclei
Climbing
fiber
Premotor
areas
Precerebellar
nuclei
Mossy
fibers
Climbing
fiber collateral
Inferior
olive
Hansel et al.: Nat Neurosci 2001
Plasticità strutturale
Indotta da lesione
Lesione  reinnervazione
Spontanea
Climbing fiber / sinapsi / Purkinje cell
Allegra et al., 2013 PNAS
Grasselli et al., 2011 PLoS ONE
Codifica dell’informazione:
“modulazione di frequenza”
Codifica dell’informazione:
“spike patterns”
mod. from De Zeeuw et al., 2011 Nature Neuroscience
Plasticità intrinseca nelle cellule di Purkinje
•Induced by repeated injection of depolirizing
current (5Hz, 3-5sec) or by LTP protocol
(1Hz or 100Hz, 5min)
Belmeguenai et al., J Neurosci 2010
Mod from Kakizawa et al., EMBO J, 2007
Pausa “post-coplex spike”
LTP
LTD
Purkinje
cell
Purkinje Cell
Intrinsic
plasticity
?
Intrinsic plasticity
Climbing
fiber
CF
DCN neuron
Premotor
areas
Climbing
fiber collateral
Inferior
olive
Mod. form Hansel et al.: Nat Neurosci 2001
La pausa “post-complex spike” (CS)
@32-34°C, +Picrotoxin (100µM), P20-33 mice
CS
pause
10mV
10mV
20ms
Time (min)
100ms
0
10
Spike rate
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
-150 -100
Grasselli et al., submitted
-50
0
50
100
Time (ms)
150
200
250
Apamin
(25 min)
Baseline
Apamin washi-in
Firing frequency (%)
Block of SK channels reduces the CF-pause
300%
**
250%
200%
150%
100%
Apamin (10 mM) (n=6)
50%
0%
-5
0
5
10
15
20
20mV
20ms
CF-pause (%)
125%
25
***
100%
75%
50%
Apamin (10 mM) (n=6)
25%
0%
Grasselli et al., submitted
-5
0
5
10
15
Time (min)
20
25
CF-pause is reduced by the stimulation protocol
Non-tenanized Control
Post-
Pre-induction
Tetanized
20mV
**
150%
125%
**
Firing frequency (%)
20ms
100%
75%
50%
Tetanized (n=6)
Non-tetanized (n=5)
25%
0%
-10
-5
0
5
10
15
20
25
CF-pause (%)
150%
125%
100%
*
75%
50%
**
25%
0%
Grasselli et al., submitted
-10
-5
0
5
10
Time (min)
15
20
25
Plasticità della pausa post-complex spike
•The post-CS pause can undergo an activity-dependent reduction
•This is mediated by SK channels
•The reduction may occur specifically in the first ISI following the CS
↗ weaker repolarization  ↑ excitability ↘
Tetanization ↓SK2
↓ pause
↘
weaker after the CS
↗
Parallel fibers
Purkinje Cell
Climbing
fiber
Intrinsic
plasticity
CF
DCN neuron
Grasselli et al., submitted
?
Riassunto
• Sistema nervoso: elaboratore di informazione,
generatore di output motori
• Informazione genetica + ambientale  sviluppo del
sistema nervoso
• Corrispondenza Struttura / funzione del network del
cervelletto
• Forme di plasticità neuronale (sinaptica, non-sinaptica,
strutturale) e integrazione sinaptica
• Codifica dell’informazione (frequenza, pattern)