Neocortical Organization and Circuits
سازمان و مدارهای نئوکورتیکال
| 437 | Overview |
| 437 | Cytoarchitectonics and Connectivity of the Neocortex |
| 439 | Excitatory Circuits in the Neocortex |
| 444 | Inhibitory Cortical Circuits |
| 448 | Cortical Oscillations |
| 450 | Cortical States |
| 451 | Emerging Properties of the Neocortex |
| 454 | Cortical Network Pathophysiology in Epilepsy |
| 455 | Dementia |
| 455 | Psychiatric Disorders |
| 456 | Key Points |
| مرور | 437 |
| معماری سلول و اتصلات نئوکورتکس | 437 |
| مدارهای تحریکی در نئوکورتکس | 439 |
| مدارهای مهاری قشر مغز | 444 |
| نوسانات قشر مغز | 448 |
| حالت‌های قشر مغز | 450 |
| ویژگی‌های نوپای نئوکورتکس | 451 |
| پاتوفیزیولوژی شبکه قشر مغز در صرع | 454 |
| زوال عقل | 455 |
| اختلالات روانی | 455 |
| نکات کلیدی | 456 |
Over the past several years, information gathered using multimodal magnetic resonance imaging (MRI) supported by the Human Connectome Project (HCP) has led to a multimodal parcellation of the cerebral cortex that allowed the delineation of 180 areas per hemisphere. (1,2) In all cortical areas, the two major cell types are excitatory principal cells, which with few exceptions have pyramidal morphology and harbor dendritic spines; and different subtypes of GABAergic interneurons that target different portions of the principal cells and differ in their neurochemical composition and firing patters. Principal cells and interneurons participate in canonical microcircuits that constitute the basic operational units of the cerebral cortex. Information processing in cortical networks critically depends on the precise synchronization of neuronal ensembles, both within local networks and across relatively long distances between separate brain regions. (3) Cortical neurons process information on a background of spontaneous, ongoing activity with distinct spatiotemporal profiles defining different cortical states. According to current models, background informa- tion also provides a “predictive” code about the expected sensory consequences of an external stimulus. Disturbances within excitatory and/or inhibitory circuits in the neocortex both at a single neuron and circuit level lead to cognitive impairment, seizures, or both. The main aims of this chapter are to review: (1) general principles of cortical connectivity, (2) the types of excitatory neurons in the cerebral cortex, (3) the functional heterogeneity of GABAergic interneurons, (4) canonical circuits between and within cortical columns, (5) mechanisms and functional relevance of cortical network oscillation, (6) some of the principles of cortical states and large-scale network organization, and (7) cortical mechanisms underlying seizures. This chapter is focused on neocortical circuits. Circuits within the hippocampus and amygdala are discussed in the next chapter.
در طی چند سال گذشته، اطلاعات جمع‌آوری‌شده با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) مولتی‌مودال که توسط پروژه اتصال انسانی (HCP) پشتیبانی می‌شود، منجر به تقسیم‌بندی مولتی‌مودال (هم‌آمیزی داده‌ها) قشر مغز شده است که امکان ترسیم 180 ناحیه در هر نیمکره را فراهم می‌کند. (1، 2) در همه نواحی قشر مغز، دو نوع سلول اصلی وجود دارد. به استثنای چند مورد، مورفولوژی این سلول‌های تحریک‌کننده، هرمی است که خارهای دندریتی را در خود جای می‌دهند. و زیرگروه‌های مختلف نورون‌های رابط گابائرژیک که بخش‌های مختلفی از سلول‌های اصلی را هدف قرار می‌دهند و در ترکیب نوروشیمیایی و الگوهای شلیک متفاوت هستند. سلول‌های اصلی و نورون‌های رابط در ریزمدارهای متعارفی که واحدهای اجرایی اصلی قشر مغز را تشکیل می‌دهند، شرکت میکنند. پردازش اطلاعات در شبکههای قشری به طور اساسی به همگام‌سازی دقیق مجموعه‌های عصبی، هم در شبکههای موضعی و هم در فواصل نسبتاً طولانی بین مناطق مجزای مغز بستگی دارد. (3) نورون‌های قشری اطلاعات را در پسزمینهای از فعالیت خود به خودی و مداوم با پروفایل‌های مکانی و زمانی متمایز پردازش میکنند که حالت‌های مختلف قشر مغز را تعریف می‌کند. طبق مدل‌های فعلی، اطلاعات پس‌زمینه همچنین یک کد «پیش‌بینی‌کننده» درباره پیامدهای حسی مورد انتظار یک محرک خارجی ارائه می‌کند. اختلالات در مدارهای تحریکی و یا مهاری در نئوکورتکس هم در سطح یک نورون و هم در مدار منجر به اختلال شناختی، تشنج یا هر دو می‌شود. اهداف اصلی این فصل بررسی: (1) اصول کلی اتصال قشر مغز، (2) انواع نورون‌های تحریکی در قشر مغز، (3) ناهمگونی عملکردی نورون‌های رابط گابائرژیک، (4) مدارهای متداول در ستون‌های قشری و بین ستون‌های قشری، (5) مکانیسم‌ها و ارتباط عملکردی نوسان شبکه قشر مغز، (6) برخی از اصول حالت‌های قشر مغز و سازمان شبکه در مقیاس بزرگ، و (7) مکانیسم‌های قشری زیربنای تشنج. این فصل بر مدارهای نئوکورتیکال متمرکز است. مدارهای درون هیپوکامپ و آمیگدال در فصل بعدی مورد بحث قرار می‌گیرند.
CYTOARCHITECTONICS AND CONNECTIVITY OF THE NEOCORTEX
معماری سلولی و اتصال نئوکورتکس
The two histological types of human cortical areas are the isocortex (or neocortex) and allocortex, which show a stepwise transition of cytoarchitecture (distribution of neuronal cell bodies) and myeloarchitecture (myelin fiber content). The allocortical areas include the hippocampal formation (archicortex) and olfactory cortex (paleocortex), which are the first steps in the architectonic differentiation toward progressively more differentiated cortices, ending in the typical six-layered (layers 1-6, L1-L6) isocortex or neocortex. This differentiation occurs via two parallel streams. The so-celled [so-called] hippocampocentric stream gives rise to areas in the medial and dorsolateral portion of the cerebral hemispheres; the so-called olfactocentric stream gives rise to areas in the inferior and ventrolateral portions of the hemispheres. Areas of intermediate differentiation between the allocortex and the neocortex are known as “paralimbic” and are interconnected both with the limbic cortex and with association areas of the neocortex. (4)
از نظر بافت‌شناسی، قشر مغز انسان دارای دو ناحیه قشری ایزوکورتکس (یا نئوکورتکس) و آلوکورتکس است که یک انتقال گام به گام معماری سلولی (توزیع جسم سلولی نورون) و معماری میلینی (محتوای فیبر میلین) را نشان می‌دهند. نواحی آلوکورتیکال شامل تشکیلات هیپوکامپ (آرکی‌کورتکس) و قشر بویایی (پالئوکورتکس) است که اولین گام در تمایز معماری به سمت قشرهای متمایزتر است که به ایزوکورتکس یا نئوکورتکس شش لایه (لایه‌های 6-1، L1-L6) ختم می‌شود. این تمایز از طریق دو جریان موازی رخ می‌دهد. آن طور که می‌گویند جریان هیپوکامپوسنتریک باعث ایجاد نواحی در قسمت داخلی و پشتی جانبی نیمکره‌های مغزی می‌شود و نیز جریان بویایی مرکزی باعث ایجاد نواحی در بخش‌های تحتانی و بطنی جانبی نیمکره‌ها می‌شود. نواحی تمایز میانی بین آلوکورتکس و نئوکورتکس به عنوان «پارالیمبیک» شناخته می‌شوند و هم با قشر لیمبیک و هم با نواحی ارتباطی نئوکورتکس در ارتباط هستند. (4)
Cytoarchitectonics, Mapping, and Gradients of the Neocortex
سیتومعماری، نقشه برداری، و گرادیان‌های نئوکورتکس
The six-layered architecture of the neocortex exhibits spatially ordered gradual changes of laminar differentiation (cortical gradients) both in terms of cytoarchitectonic organization (Brodmann areas, BA) (4,5) and differences in the density of myelinated fibers in the different cortical layers. (6) The gradual cytoarchitectonic changes include the emergence of the granular layer (layer 4), and successive increase of neuronal density of upper (supragranular) layers 2 and 3, compared with lower (infragranular) layers 5 and 6. Hence, the cerebral cortex forms a gradient spanning from less to more differentiated cortical areas. (4,7) At one end of the spectrum, primary sensory areas, somatosensory, visual, and auditory, are characterized by their prominent layer 4 containing spiny stellate cells and constitute the granular cortical areas. At the other end, the frontal motor cortex lacks a granular layer (agranular cortex) and is characterized by the presence of large pyramidal neurons in deep layer 5. There is systematic structural variation in the cortex, extending from the simplest limbic cortices to eulaminate areas and this is reflected by the strength and topography of connections between nearby or distant cortices and subcortical structures. Cortical area topography is in part determined by a conserved genetic program involving different morphogens and transcription factors but also has high degree of plasticity. (8) Areas at the similar position within this hierarchical gradient are functionally interconnected with each other. (7) The primary sensory areas receive their primary input from modality-specific, first-order relay nuclei of the thalamus and are distinguished by their high degree of myelination and high expression of receptors for neuromodulatory neurotransmitters. Primary sensory areas project to their respective higher-order unimodal sensory areas (secondary and tertiary areas), which in turn project to multimodal association areas located in the posterior parietal, lateral temporal, and prefrontal cortex (PFC) (4) (Figure 24.1).
معماری شش لایه‌ای نئوکورتکس تغییرات تدریجی ناشی از تمایز یکنواخت (شیب‌های یکنواخت قشر مغز) را هم از نظر ساختار معماری (مناطق برودمن، BA) (4،5) و هم تفاوت در تراکم الیاف میلین‌دار در لایه‌های مختلف قشری نشان می‌دهد. (6) تغییرات معماری سلولی تدریجی شامل پیدایش لایه دانهدار (لایه 4) و افزایش متوالی تراکم عصبی لایه‌های بالایی (بالای دانهدار) 2 و 3 در مقایسه با لایه‌های پایینی (زیر دانهدار) 5 و 6 است. از این رو، کورتکس مغز یک گرادیان را تشکیل می‌دهد که از نواحی قشری کمتر تمایز یافته به نواحی متمایزتر گسترده شده است. (4،7) در یک انتهای طیف، نواحی حسی اولیه، حسی پیکری، بینایی و شنوایی، با لایه 4 (لایه 4 حاوی سلول‌های ستاره‌ای خاردار است) واضح مشخص می‌شوند که نواحی قشر دانهدار را تشکیل می‌دهند. در انتهای دیگر طیف، قشر حرکتی فرونتال فاقد لایه دانهدار (قشر بدون دانه) است و با حضور نورون‌های هرمی بزرگ در لایه عمقی 5 مشخص می‌شود. تغییرات ساختاری سیستماتیک در قشر وجود دارد که از ساده‌ترین قشر لیمبیک تا نواحی اولامینه گسترش می‌یابد و این با دوام و توپوگرافی اتصالات بین نواحی قشری نزدیک یا نواحی قشری دور و ساختارهای زیر قشری منعکس می‌شود. گرچه توپوگرافی سطح قشر تا حدی توسط یک برنامه ژنتیکی حفاظت شده شامل مورفوژن (ریخت‌زا)ها و فاکتورهای رونویسی مختلف تعیین می‌شود، اما دارای درجه بالایی از انعطاف‌پذیری است. (8) مناطق در موقعیت مشابه در این گرادیان سلسله مراتبی از نظر عملکردی با یکدیگر مرتبط هستند. (7) نواحی حسی اولیه، ورودی اولیه خود را از هسته‌های تقویت‌کننده مرتبه اول تالاموس که مربوط به مدالیته ویژه است، دریافت میکنند و با درجه بالای میلین‌سازی و بیان بالای گیرنده‌های انتقال‌دهنده‌های عصبی تعدیل‌کننده متمایز می‌شوند. نواحی حسی مرتبه اول به نواحی حسی یونی‌مودال مرتبه بالاتر مربوطه (نواحی ثانویه و سوم)، که به نوبه خود به نواحی ارتباطی مولتی‌مودال واقع در قشر آهیانه خلفی، گیجگاهی جانبی و پیش‌پیشانی (PFC) پروجکت میکنند (شکل 24.1).
A cortical area is defined not only on the bases of its microstructure and functional properties but also according to its connectivity, both anatomical and functional. Functional connectivity has been extensively studied using resting-state functional MRI (fMRI), based on synchronous fluctuations in low frequency blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal between different brain regions. (2,9-12) In general, but not always, functional connectivity reflects structural connectivity. Information gathered from data provided by the HCP combining different MRI modalities to assess cortical thickness, myelin content, and cortical folding pattern; diffusion tensor imaging to assess fiber tracts; and restingstate and task- fMRI to assess functional connectivity has allowed the multimodal parcellation of the cerebral cortex. (1) Whereas the classical cytoarchitectonic map of Brodmann divided the cortex into 43 areas based on the distribution of cell bodies, (5) this multimodal approach has led to identification of 180 distinct areas per cerebral hemisphere. (1)
یک ناحیه قشر نه تنها بر اساس ریزساختار و ویژگی‌های عملکردی آن، بلکه بر اساس اتصال آن -چه آناتومیکی و چه عملکردی- تعریف می‌شود. اتصال عملکردی به طور گسترده با استفاده از MRI عملکردی (fMRI) در حالت استراحت، بر اساس نوسانات همزمان در سیگنال وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) فرکانس پایین بین مناطق مختلف مغز مورد مطالعه قرار گرفته است. (12-9 و 2) به طور کلی، اما نه همیشه، اتصال عملکردی منعکس کننده اتصال ساختاری است. اطلاعات جمع آوری شده از داده‌های ارائه شده توسط HCP با ترکیب روش‌های مختلف MRI برای ارزیابی ضخامت قشر، محتوای میلین و الگوی چین خوردگی قشر مغز؛ تصویربرداری تانسور انتشار برای ارزیابی مسیرهای فیبر، و fMRI در حالت استراحت و تکلیف برای ارزیابی اتصال عملکردی، تقسیم‌بندی مولتی‌مودال قشر مغز را امکان‌پذیر کرده است. (1) در حالی که نقشه معماری سلولی کلاسیک برودمن، قشر را بر اساس توزیع اجسام سلولی به 43 ناحیه تقسیم کرد، (5) این رویکرد مولتی‌مودال منجر به شناسایی 180 ناحیه مجزا در هر نیمکره مغزی شده است. (1)
FIGURE 24.1 Overview of connectivity in the cerebral cortex.
There is as serial processing of information in the cerebral cortex from primary sensory, to unimodal sensory, to heteromodal areas. There is a strong interaction between the posterior and prefrontal heteromodal areas. The prefrontal cortex controls motor outputs via premotor areas that project to the primary motor cortex. The heteromodal areas are interconnected with paralimbic areas that channel the information to the hippocampus and amygdala. Many of the connections are reciprocal, consistent with feedforward and feedback interactions.
شکل 24.1 نمای کلی اتصالات در قشر مغز.
پردازش متوالی اطلاعات در قشر مغز از حسی اولیه، حسی یونی‌مودال تا نواحی هترومودال وجود دارد. یک تعامل قوی بین نواحی هترومودال خلفی و پیش‌پیشانی وجود دارد. قشر پیش‌پیشانی خروجی‌های حرکتی را از طریق نواحی پره‌موتور که به قشر حرکتی اولیه پروجکت میکنند، کنترل می‌کند. نواحی هترومودال با نواحی پارالیمبیک به هم مرتبط هستند که اطلاعات را به هیپوکامپ و آمیگدال می‌فرستند. بسیاری از ارتباطات متقابل هستند و با برهم‌کنش‌های پیشخوراند و پس‌خوراند سازگار هستند.
A key feature of cortical organization is the spatial arrangement of areas along a global gradient between sensorimotor and transmodal regions. (4, 13) This sensorimotor-to-transmodal cortical gradient reflects the microstructural changes resulting from the temporal sequence of neurogenesis. Human structural MRI studies show that primary sensorimotor areas have high myelin content and cortical thickness, which systematically decrease toward transmodal areas in the parietal, temporal, and particularly the PFC. (1, 14) Functional MRI studies show a gradient of strength of connectivity from the different primary sensorimotor areas that converges in multimodal integration areas such as the anterior cingulate cortex and the temporooccipital junction, and finally reach transmodal regions of the medial prefrontal, posterior cingulate, and temporal cortex. (15) There is also a gradient of gene expression patterns between primary sensory and motor cortex on one end of the spectrum to transmodal temporal and frontal areas on the other. (16) Distant cortical regions can have similar gene expression patterns if they share longrange connections, particularly between their supragranular layers. (17) There is also a functional integration ranging from unimodal to transmodal areas. For example, in the case of processing of speech, there is a smooth transition from concrete perceptual and quantitative descriptions in sensorimotor areas to abstract category representations related to emotional and social processing in transmodal regions. (18) There is also a hierarchy of temporal integration of information. For example, primary sensory areas track fast changes in a scene in the order of milliseconds to seconds, whereas transmodal association areas that encode complex concepts and situations integrate information across seconds, minutes or longer. (19) All this evidence has led to the proposal of an “intrinsic coordinate system” along the sensorimotor-to-transmodal axis aligning functionally equivalent areas based on both their connectivity and functional gradients. (13)
یکی از ویژگی‌های کلیدی سازماندهی قشر مغز، آرایش فضایی نواحی در امتداد یک گرادیان فراگیر بین مناطق حسی‌حرکتی و ترانس‌مودال است. (4، 13) این گرادیان قشری از قشر حسی‌حرکتی به قشر ترانس‌مودال منعکس کننده تغییرات ریزساختاری ناشی از توالی زمانی نوروژنز است. مطالعات MRI ساختاری انسانی نشان می‌دهد که نواحی حسی-حرکتی اولیه دارای محتوای میلین و ضخامت قشر مغزی بالایی هستند که به طور سیستماتیک به سمت نواحی ترانس مودال در آهیانه، گیجگاه و به‌ویژه PFC کاهش می‌یابد. (1، 14) مطالعات MRI عملکردی یک گرادیان قدرت اتصال از نواحی مختلف حسی‌حرکتی اولیه را نشان می‌دهد که در نواحی یکپارچگی مولتی‌مودال مانند قشر سینگولیت قدامی و پیوستگاه گیجگاهی پس‌سری همگرا می‌شود و در نهایت به مناطق ترانس مودال پیش‌پیشانی داخلی، سینگولیت خلفی و قشر تمپورال می‌رسد. (15) همچنین یک شیب از الگوهای بیان ژن بین قشر حسی و حرکتی اولیه در یک سر طیف تا نواحی ترانس مودال گیجگاهی و پیشانی در سمت دیگر وجود دارد. (16) مناطق دوردست کورتیکال می‌توانند الگوهای بیان ژن مشابهی داشته باشند، اگر اتصالات دوربُرد، به ویژه بین لایه‌های بالای دانهدار خود را به اشتراک بگذارند. (17) همچنین یک ادغام عملکردی از نواحی تک مودال تا ترانس مودال وجود دارد. به عنوان مثال، در مورد پردازش گفتار، یک انتقال آرام از توصیفات ادراکی و کمی در نواحی حسی‌حرکتی به بازنمایی‌های مقوله‌ای انتزاعی مربوط به پردازش عاطفی و اجتماعی در نواحی ترانس مودال وجود دارد. (18) همچنین سلسله مراتبی از ادغام زمانی اطلاعات وجود دارد. برای مثال، نواحی حسی اولیه تغییرات سریع یک صحنه را به ترتیب میلی‌ثانیه تا ثانیه دنبال میکنند، در حالی که نواحی ارتباطی ترانس مودال که مفاهیم و موقعیت‌های پیچیده را رمزگذاری میکنند، اطلاعات را در چند ثانیه، دقیقه یا بیشتر ادغام میکنند. (19) همه این شواهد منجر به پیشنهاد یک «سیستم مختصات ذاتی» در امتداد محور حسی-حرکتی به ترانس مودال شده است که مناطق معادل عملکردی را بر اساس اتصال و شیب عملکردی آنها تراز می‌کند. (13)
Feedforward and Feedback Connectivity
ارتباط پیش خوراند و پس خوراند
One organizing principle of cortical connectivity is that of “cortical hierarchy” based on the presence of feed-forward, feedback, and lateral connections. (7) Feedforward connections originate from a cortical area with more elaborate laminar structure than the destination cortical area; for example the primary visual cortex (V1) provides feed-forward projection to the higher order visual association area V2. According to the classical view, feedforward connections originate from supragranular layers (particularly layer 3) of lower cortical areas and target layer 4 in higher cortical areas. Feedback connections occur in opposite direction from the higher-order (less laminated) to lower-order cortical areas. These feedback connections originate largely from infragranular layers (particularly layer 5) of higher cortex and terminate outside of layer 4 in lower-level cortex, primary on layer 1, containing the apical dendrites of pyramidal neurons as well as local interneurons. (20)
یکی از اصول سازماندهی اتصال قشری، «سلسله مراتب قشری» بر اساس وجود اتصالات پیشخوراند، پس‌خوراند و جانبی است. (7) اتصالات پیشخوراند از یک ناحیه قشر با ساختار یکنواخت پیچیده تر نسبت به ناحیه قشر مقصد منشأ می‌گیرند. به عنوان مثال، قشر بینایی اولیه (V1) به ناحیه ارتباطی بینایی مرتبه بالاتر V2، پروجکشن پیشخوراند را فراهم می‌کند. طبق دیدگاه کلاسیک، اتصالات پیشخوراند از لایه‌های بالای دانهدار (مخصوصاً لایه 3) نواحی قشر پایین‌تر منشأ می‌گیرند و به لایه 4 در نواحی قشر مرتبه بالاتر به عنوان هدف وارد می‌شود. اتصالات پس‌خوراند در جهت مخالف از مرتبه بالاتر (لایه کمتر) به نواحی قشری مرتبه پایین‌تر رخ می‌دهد. این اتصالات پس‌خوراند عمدتاً از لایه‌های پایین دانهدار (مخصوصاً لایه 5) قشر مرتبه بالاتر (عالی‌تر) منشاء می‌گیرند و به خارج از لایه 4 در قشر سطح پایین‌تر (تکامل نیافته‌تر)، عمدتا در لایه 1، خاتمه می‌یابند یعنی به لایه‌ای که حاوی دندریت‌های آپیکال نورون‌های هرمی و همچنین نورون‌های رابط موضعی است، خاتمه می‌یابند. (20)
At each cortical area the long-range connections originate from projection neurons with the largest soma size. (11)
در هر ناحیه قشری، اتصالات دوربرد از نورون‌های پروجکشن (پرتابی) با بزرگترین اندازه جسم سلولی منشا می‌گیرند. (11)
The PFC provides a prototypical example of laminar-specific connectivity. High-order prefrontal areas are heavily interconnected with high-order association areas of the parietal cortex. In contrast, paralimbic prefrontal areas such as the anterior cingulate cortex and posterior orbitofrontal cortex, have unique reciprocal connections with the hippocampus, amygdala, and hypothalamus. (7) The large pyramidal neurons of the CA1 region of the hippocampus send feedback projections to CA1 to layer 1 of the neocortex. (22)
PFC یک نمونه رایج از اتصال خاص لایه ای را ارائه می‌دهد. نواحی پره‌فرونتال مرتبه بالا به فراوانی به نواحی ارتباطی مرتبه بالای قشر آهیانه‌ای مرتبط هستند. در مقابل، نواحی پره‌فرونتال پارالیمبیک مانند قشر سینگولیت قدامی و قشر اوربیتوفرونتال خلفی، دارای ارتباطات متقابل منحصر به فردی با هیپوکامپ، آمیگدال و هیپوتالاموس هستند. (7) نورون‌های هرمی بزرگ ناحیه CA1 هیپوکامپ، پروجکشن‌های پسخوراندی را به CA1 🤔 به لایه 1 نئوکورتکس ارسال میکنند. (22)
Parallel Processing of Cortical Information: Dorsal and Ventral Streams
پردازش موازی اطلاعات قشر مغز: جریان‌های پشتی و شکمی
From the primary sensory cortical areas, information is subsequently processed first at unimodal (sensory modality-specific) cortical association and then heteromodal (multimodal) cortical areas via two distinct streams (Figure 24.2). The dorsal stream consists of pathways that convey information to the posterior parietal cortex. These pathways are involved in processing of spatial information, including representation of space in egocentric (body-centered) coordinates for control of movements and in allocentric (landmark-centered) coordinates to allow navigation. (23) The ventral stream consists of pathways that convey information to the lateral temporal cortex. These pathways allow identification of objects and faces for semantic knowledge and emotional responses. (24) In addition to this hierarchical and parallel feedforward system, higher-order parietal and temporal sensory areas, together with the PFC, provide feedback modulatory inputs to areas involved in early sensory processing. This constitutes the basis of attention, which selects relevant sensory stimuli at the expense of others. Both the dorsal and ventral streams converge in the hippocampal formation, which integrates spatial (place) and feature information to encode episodic memory. Inputs from the dorsal stream to the dorsolateral PFC and from the ventral stream to the ventrolateral and ventromedial PFC provide for high-order executive functions, including decision-making, behavioral planning and adaptation, and control of emotion and social interactions. These pathways and functions are further discussed in other chapters of this book.
اطلاعات پس از نواحی قشری حسی اولیه، ابتدا در نواحی ارتباطی قشری یونی‌مودال (مدالیته ویژه حسی) و سپس نواحی قشری هترومودال (مولتی‌مودال) از طریق دو جریان مجزا پردازش می‌شوند (شکل 24.2). جریان پشتی شامل مسیرهایی است که اطلاعات را به قشر آهیانه خلفی منتقل می‌کند. این مسیرها در پردازش اطلاعات فضایی، از جمله بازنمایی فضایی در مختصات خودمحور (بدن محور) برای کنترل حرکات و مختصات آلوسنتریک (دگر محور) برای امکان مسیریابی نقش دارند. (23) جریان شکمی شامل مسیرهایی است که اطلاعات را به قشر گیجگاهی جانبی می‌رساند. این مسیرها امکان شناسایی اشیا و چهره‌ها را برای دانش معنایی و پاسخ‌های احساسی فراهم می‌کند. (24) علاوه بر این سیستم پیشخوراند سلسله مراتبی و موازی، نواحی حسی آهیانه‌ای و گیجگاهی مرتبه بالاتر، همراه با PFC، ورودی‌های تعدیلی پس‌خوراند را برای مناطق درگیر در پردازش حسی اولیه فراهم میکنند. این اساس توجه را تشکیل می‌دهد که محرک‌های حسی مربوطه را به حساب دیگران انتخاب می‌کند. هر دو جریان پشتی و شکمی در تشکیلات هیپوکامپ، که اطلاعات فضایی (مکانی) و ویژگی‌ها را برای رمزگذاری حافظه اپیزودیک یکپارچه می‌کند، همگرا می‌شوند. ورودی‌ها از جریان پشتی به PFC پشتی جانبی و از جریان شکمی به PFC شکمی و بطنی، عملکردهای اجرایی پیچیده از جمله تصمیم‌گیری، برنامه‌ریزی رفتاری و سازگاری، و کنترل احساسات و تعاملات اجتماعی را فراهم میکنند. این مسیرها و عملکردها در فصول دیگر این کتاب بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.
FIGURE 24.2 Dorsal and ventral streams of cortical processing.
Primary sensory cortical information is subsequently processed first at unimodal (sensory modality-specific) cortical association and then heteromodal (multimodal) cortical areas via two distinct processing streams. The dorsal stream conveys information to the posterior parietal cortex and is involved in processing of spatial information. The ventral stream involves connections to the lateral temporal cortex and is involved identification of objects and faces for semantic knowledge and emotional responses.
شکل 24.2 جریان‌های پشتی و شکمی پردازش قشر مغز.
پس از چندی اطلاعات قشر حسی اولیه، از طریق دو جریان پردازش مجزا، ابتدا در قشر ارتباطی یونی‌مودال (مودالیته ویژه حسی) و سپس نواحی قشری هترومودال (مولتی‌مودال) پردازش می‌شوند. جریان پشتی، اطلاعات را به قشر آهیانه خلفی منتقل می‌کند و در پردازش اطلاعات مکانی نقش دارد. جریان شکمی شامل اتصالات به قشر گیجگاهی جانبی است و در شناسایی اشیا و چهره‌ها برای دانش معنایی و پاسخ‌های احساسی دخالت دارد.
EXCITATORY CIRCUITS IN THE NEOCORTEX
مدارهای تحریکی در نئوکورتکس
Excitatory cells constitute ~80% or more of cortical neurons. Most of them are pyramidal cells, which have a long apical dendrite that arborizes in tufts in layer 1 as well as extensive basal dendrites, both containing dendritic spines. Pyramidal cells originate from precursors in the subventricular zone of the developing brain, which reach the cortex via several waves of radial migration along radial glial processes, and organize into the different layers in such a way that newly generated neurons occupy the most superficial layers. (8, 25)
80 درصد یا بیش از 80 درصد نورون‌های قشر مغز را سلول‌های تحریکی تشکیل می‌دهند. بسیاری از آنها، سلول‌های هرمی هستند که دارای دندریت آپیکال بلندی هستند که در لایه 1 به صورت توده ای درخت‌مانند می‌شوند و همچنین دندریت‌های بازال (قاعده‌ای) گسترده ای دارند که هر دو حاوی خارهای دندریتی هستند. سلول‌های هرمی از پیش‌سازها در ناحیه زیر بطنی مغز در حال رشد منشأ می‌گیرند که از طریق چندین حرکت ناشی از مهاجرت شعاعی در امتداد زائده‌های گلیال شعاعی به قشر مغز می‌رسند و در لایه‌های مختلف سازماندهی می‌شوند به این صورت که نورون‌های جدید تولید شده سطحی‌ترین لایه‌ها را اشغال میکنند. (8، 25)
Physiology of Pyramidal Neurons
فیزیولوژی نورون‌های هرمی
The apical and basal dendrites of pyramidal cells consist of several semi-independent functional compartments, each with a characteristic distribution of ion channels and receptors and receiving different types of inputs (Figure 24.3). The intrinsic electrophysiological properties of these cells depend on the expression of fast inactivating sodium (Na) currents responsible for the spike of action potential, persistent Na+ currents responsible for plateau potentials, several types of voltage-gated calcium (Ca2+) conductances in the soma and dendrites that contribute to a Ca2+ spike, and several potassium (K) conductances that control excitability and shape the firing pattern of pyramidal cells. The distal portions of the dendrites also contain hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide gated (HCN) channels that locally regulate excitability and responses to synaptic inputs. Most cortical pyramidal cells show a regular spiking pattern of firing, which reflects the presence Ca2+-activated K+ currents (particularly SK currents) that mediate spike frequency adaptation. Some pyramidal cells may also have intrinsic bursting firing patterns involving T-type Ca2+ channels. The activity of the pyramidal cells is shaped by several influences. They include excitatory glutamatergic inputs from both corticocortical and thalamocortical projections targeting the dendritic spines, GABAergic inhibition by different types of local interneurons targeting distinct portions of the pyramidal cell, and modulatory cholinergic and monoaminergic inputs from the brainstem and basal forebrain. Glutamatergic excitation is primarily mediated by a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4 isoxazole propionic acid receptors (AMPARs), which generate local excitatory postsynaptic potentials that spread along dendritic branches and summate at a branching point. Dendritic spines also express N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) that are involved in synaptic plasticity. The probability of excitatory postsynaptic potentials to reach the axonal initial segment depends on the generation of local voltage-gated Na+ and Ca2+ spikes as well NMDAR-mediated spikes that serve as a boost that allows depolarization from the distal dendrites to reach the soma. (26) Whether this activity reaches the soma depends on modulatory gating by both excitatory glutamatergic corticocortical or thalamocortical inputs and inhibitory GABAergic inputs along the apical dendritic shaft. Local GABA release at distal dendrites and dendritic branches can decrease the probability of postsynaptic potentials to reach the soma; these local GABAergic influences also control the efficacy of integration of glutamatergic inputs from different sources and reduce Ca2+-dependent synaptic potentiation. After summation of currents spreading from the apical and basal dendrites to the soma, electrical activity is integrated at the level of the axon hillock and initial segment, which determines the probability to trigger an action potential (spike). Backpropagation of the action potential from the axon initial segment to the soma and dendrites increases this probability and is opposed by the several K+ conductances in the somatodendritic compartment. The soma and basal dendrites receive feedforward excitatory glutamatergic inputs as well as robust GABAergic inhibition, which provides for the global integration and modulation of neuronal output. Inhibition at the level of the soma, proximal dendrites, and axon initial segment globally modulates the output of the pyramidal cell and strongly influences spike timing and thus the firing synchrony of populations of neurons.
دندریت‌های آپیکال (راسی) و قاعده‌ای سلول‌های هرمی از چندین بخش عملکردی نیمه مستقل تشکیل شده اند که هر کدام دارای توزیع مشخصی از کانال‌ها و گیرنده‌های یونی هستند و انواع مختلفی از ورودی‌ها را دریافت میکنند (شکل 24.3). خواص الکتروفیزیولوژیکی ذاتی این سلول‌ها به بروز جریان‌های سدیمی غیرفعال سریع (Na) مسئول اسپایک (نوسان شدید) پتانسیل عمل، جریان‌های +Na پایدار مسئول پتانسیل‌های کفه‌ای، چندین نوع کانال کلسیمی دریچه‌دار وابسته به ولتاژ در جسم سلولی و دندریت‌ها که در ایجاد اسپایک +Ca2 نقش دارند و چندین کانال پتاسیمی (K) که تحریک‌پذیری را کنترل میکنند و الگوی شلیک سلول‌های هرمی را شکل می‌دهند. بخش‌های دیستال دندریت‌ها همچنین حاوی کانال‌های دریچه‌دار نوکلئوتیدی حلقوی (HCN) فعال‌شده با هیپرپلاریزاسیون هستند که به‌طور موضعی تحریک‌پذیری و پاسخ به ورودی‌های سیناپسی را تنظیم میکنند. بیشتر سلول‌های هرمی قشری یک الگوی شلیک منظم نشان می‌دهند، که منعکس‌کننده حضور جریان‌های پتاسیمی فعال‌شده با کلسیم (به‌ویژه جریان‌های SK) است که سبب تنظیم فرکانس اسپایک می‌شود. برخی از سلول‌های هرمی نیز ممکن است دارای الگوهای شلیک انفجاری ذاتی باشند که شامل کانال‌های کلسیمی نوع T است. فعالیت سلول‌های هرمی توسط چندین عامل موثر شکل می‌گیرد. آنها شامل ورودی‌های گلوتاماترژیک تحریکی از هر دو پروجکشن کورتیکوکورتیکال و تالاموکورتیکال با هدف قرار دادن خارهای دندریتی، مهار گابائرژیک توسط انواع مختلف نورون‌های رابط موضعی که بخش‌های مشخصی از سلول هرمی را هدف قرار می‌دهند، و ورودی‌های کولینرژیک و مونوآمینرژیک تعدیل‌کننده از ساقه مغز و قاعده مغز قدامی است. تحریک گلوتاماترژیک در درجه اول توسط گیرنده‌های α-آمینو-۳-هیدروکسی-۵-متیل-۴-ایزوکسازول‌پروپیونیک‌اسید (AMPARs) انجام می‌شود که پتانسیل‌های پس سیناپسی تحریکی موضعی را ایجاد می‌کند که در امتداد شاخه‌های دندریتی گسترش یافته و در یک نقطه انشعاب جمع می‌شود. خارهای دندریتی همچنین گیرنده‌های ان-متیل-دی-آسپارتات (NMDARs) را که در انعطاف‌پذیری سیناپسی نقش دارند، بیان میکنند. احتمال رسیدن پتانسیل‌های پس سیناپسی تحریکی به قطعه ابتدایی آکسون در گرو اسپایک‌های تولید شده توسط کانال‌های دریچه‌دار وابسته به سدیم و کلسیم و همچنین تولید اسپایک‌های گیرنده NMDA است. اسپایک‌های گیرنده NMDA به عنوان یک تقویت کننده عمل میکنند و باعث می‌شود دپلاریزاسیون از دندریت‌های دیستال به جسم سلولی برسد. (26) اینکه آیا این فعالیت به جسم سلولی می‌رسد بستگی به دروازه تعدیلی توسط هر دو ورودیورودی گلوتاماترژیکی تحریکی کورتیکوکورتیکال یا تالاموکورتیکال و ورودی‌های گابائرژیکی مهاری در امتداد بدنه دندریت آپیکال دارد. انتشار موضعی گابا در دندریت‌های دیستال و شاخه‌های دندریتی می‌تواند احتمال رسیدن پتانسیل‌های پس سیناپسی به جسم سلولی را کاهش دهد. این تأثیرات موضعی گابائرژیک همچنین اثربخشی ادغام ورودی‌های گلوتاماترژیکی از منابع مختلف را کنترل کرده و تقویت سیناپسی وابسته به کلسیم را کاهش می‌دهد. پس از مجموع جریان‌های پخش شده از دندریت‌های آپیکال و قاعده‌ای به جسم سلولی، فعالیت الکتریکی در سطح تپه آکسونی و بخش ابتدایی ادغام می‌شود که احتمال ایجاد پتانسیل عمل (اسپایک) را تعیین می‌کند. انتشار معکوس پتانسیل عمل از بخش ابتدایی آکسون به جسم سلولی و دندریت‌ها این احتمال را افزایش می‌دهد و مخالف هدایت پتاسیمی در قسمت سوماتودندریتی است. جسم سلولی و دندریت‌های قاعده‌ای ورودی‌های گلوتاماترژیکی تحریکی پیش‌خوراندی و همچنین گابائرژیکی مهاری قوی را دریافت میکنند که یکپارچگی سراسری و مدولاسیون خروجی عصبی را فراهم می‌کند. مهار در سطح جسم سلولی، دندریت‌های پروگزیمال و بخش ابتدایی آکسون به طور سراسری خروجی سلول هرمی را تعدیل می‌کند و به شدت بر زمان اسپایک و در نتیجه همزمانی شلیک جمعیت‌های نورون تأثیر می‌گذارد.
FIGURE 24.3 Functional compartmentalization of pyramidal neurons.
The apical dendrite and basal dendrites of pyramidal cells consist of several semi-independent functional compartments, each with a characteristic distribution of ion channels and receptors and receiving different types of inputs. The activity of the pyramidal cells is shaped by excitatory glutamatergic inputs from other pyramidal neurons and thalamocortical projections; GABAergic inhibition by local interneurons, and modulatory cholinergic and monoaminergic inputs from the brainstem and basal forebrain. Dendritic spines receive most of the excitatory synapses. Local GABA release at distal dendrites and dendritic branches can decrease the probability of postsynaptic potentials to reach the soma, control the efficacy and integration of glutamatergic inputs from different sources, and reduce Ca2+-dependent synaptic potentiation. The soma and basal dendrite areas receive feedforward excitatory glutamatergic inputs as well as robust GABAergic inhibition providing for the global integration and modulation of neuronal output.
شکل 24.3 بخش بندی عملکردی نورون‌های هرمی.
دندریت آپیکال و دندریت‌های قاعده‌ای سلول‌های هرمی از چندین بخش عملکردی نیمه مستقل تشکیل شده است که هر کدام دارای توزیع مشخصی از کانال‌ها و گیرنده‌های یونی هستند و انواع مختلفی از ورودی‌ها را دریافت میکنند. فعالیت سلول‌های هرمی توسط ورودی‌های گلوتاماترژیکی تحریکی از سایر نورون‌های هرمی و پروجکشن‌های تالاموکورتیکال، ورودی‌های گابائرژیکی مهاری از نورون‌های رابط موضعی و ورودی‌های کولینرژیکی و مونوآمینرژیکی تعدیلی از ساقه مغز و قاعده مغز قدامی شکل می‌گیرد. خارهای دندریتی بیشتر سیناپس‌های تحریکی را دریافت میکنند. انتشار موضعی گابا در دندریت‌های دیستال و شاخه‌های دندریتی می‌تواند احتمال رسیدن پتانسیل‌های پس‌سیناپسی به جسم سلولی را کاهش دهد، کارایی و ادغام ورودی‌های گلوتاماترژیکی از منابع مختلف را کنترل کند و تقویت سیناپسی وابسته به کلسیم را کاهش دهد. نواحی جسم سلولی و دندریت قاعده‌ای ورودی‌های گلوتاماترژیکی تحریکی پیش‌خوراندی و همچنین گابائرژیکی مهاری قوی را دریافت میکنند که یکپارچگی و مدولاسیون کلی خروجی عصبی را فراهم می‌کند.
Neocortical Excitatory Microcircuits
ریزمدارهای تحریکی نئوکورتیکال
Pyramidal cells are subdivided into three classes, intratelencephalic (IT), pyramidal tract (PT), and corticothalamic (CT) (27) (Figure 24.4). Intrinsic connections constitute approximately 95% of cortical connectivity and are mediated by different subclasses of IT neurons (Figure 24.5). Intratelencephalic neurons are found in layers 2-6, and project only within the telencephalon. One special type are layer 4 ITs, which have pyramidal or spiny stellate morphology and are particularly abundant in primary sensory areas. Layer 4 is the first station for extrinsic forward excitatory (drive) inputs to the cortex. In primary sensory cortex, the driving projections to L4 IT neurons originate from core-type thalamocortical neurons located in first-order thalamic relay nuclei receiving modality-specific sensory information. Layer 4 neurons in higher-order sensory areas receive long-range inputs from thalamic association nuclei as well as corticocortical feed-forward inputs from lower-order areas. Layer 4 IT neurons project heavily to IT neurons in layers 2/3 and layers 5/6, which constitute the second stage of the local excitatory circuit. Neurons of superficial layers 2/3 project forward to the next cortical area, forming a disynaptic route between thalamus and secondary cortical areas. Information from layers 2/3 is then sent to layers 5 and layers 6, which send intrinsic feedback projections back to layer 4. The layer 5 IT cells also send long-range feedback projections to superficial layers of earlier cortical areas. The large PT neurons of layer 5B represent the third and final stage of the local excitatory circuit. They receive extensive inputs from IT neurons of multiple layers, strong direct thalamo- cortical inputs from thalamic association nuclei, and both feedforward and feedback corticocortical inputs. Whereas PT neurons in any particular neocortical area often project to a characteristic target, their axons tend to branch to innervate the thalamus, striatum, subthalamic nucleus, brainstem, and spinal cord. Therefore PT neurons function as downstream elements in the local circuit broadcasting the results of cortical computations to distant subcortical structures. (27) The CT neurons of layer 6 receive little thalamic and local input but instead receive input primarily from high-order cortical areas. These CT neurons project back to the thalamic relay nucleus that provides the thalamocortical input to the corresponding portion of the cortex, and thus participate in excitatory thalamocortical loops specialized for integrating long-range signals to modulate thalamocortical activity. All classes of excitatory cortical neurons form recurrent connections with local neurons of the same class.
سلول‌های هرمی به سه دسته تقسیم می‌شوند: درون‌تلن‌سفالون (IT)، مسیر هرمی (PT) و کورتیکوتالامیک (CT) (27) (شکل 24.4). اتصالات درونی تقریباً 95 درصد از اتصالات قشر مغز را تشکیل می‌دهند و توسط زیر کلاس‌های مختلف نورون‌های IT انجام می‌شوند (شکل 24.5). نورون‌های درون‌تلن‌سفالون در لایه‌های 6-2 یافت می‌شوند و فقط درون‌تلن‌سفالون پروجکت دارند. یک نوع خاص ITهای لایه 4 هستند که مورفولوژی ستاره ای هرمی یا خاردار دارند و به ویژه در نواحی حسی اولیه فراوان هستند. لایه 4 اولین ایستگاه برای ورودی‌های تحریکی (محرک) بیرونی به قشر است. پروجکشن‌های محرک به نورون‌های IT لایه L4 قشر حسی اولیه، از نورون‌های core-type تالاموکورتیکال واقع در هسته‌های تقویت‌کننده مرتبه اول تالاموس سرچشمه می‌گیرد. این هسته‌های تالاموس، اطلاعات حسی مدالیته ویژه را دریافت میکنند. سلول‌های عصبی لایه 4 در نواحی حسی مرتبه بالاتر، ورودی‌های دوربرد را از هسته‌های ارتباطی تالاموس و همچنین ورودی‌های پیش‌خوراندی کورتیکوکورتیکال را از نواحی مرتبه پایین‌تر دریافت میکنند. نورون‌های IT لایه 4 تا حد زیادی به نورون‌های IT در لایه‌های 2/3 و لایه‌های 5/6 که مرحله دوم مدار تحریکی موضعی را تشکیل می‌دهند، پروجکت میکنند. نورون‌های لایه‌های سطحی 2/3 به سمت ناحیه قشری بعدی پروجکت میکنند و مسیری غیرسیناپسی بین تالاموس و نواحی قشری ثانویه را تشکیل می‌دهند. اطلاعات لایه‌های 2/3 سپس به لایه‌های 5 و لایه‌های 6 فرستاده می‌شوند، که پروجکت‌های پس‌خوراند درونی را به لایه 4 می‌فرستند. سلول‌های IT لایه 5 نیز پروجکت‌های پس‌خوراند دوربرد را به لایه‌های سطحی نواحی قشری قبلی ارسال میکنند. نورون‌های بزرگ PT لایه 5B مرحله سوم و نهایی مدار تحریکی موضعی را نشان می‌دهند. آنها ورودی‌های گسترده‌ای از نورون‌های IT لایه‌های مختلف، ورودی‌های مستقیم قوی تالاموکورتیکال از هسته‌های ارتباطی تالاموس و ورودی‌های کورتیکوکورتیکال پیشخوراند و پس‌خوراند دریافت میکنند. در حالی که نورون‌های PT در هر ناحیه نئوکورتیکال خاص اغلب به سمت یک هدف مشخص پیش می‌روند، اما بیشتر مواقع انشعابی از آکسون آنها، تالاموس، جسم مخطط، هسته ساب‌تالاموس، ساقه مغز و نخاع را عصب‌دهی می‌کند. بنابراین نورون‌های PT به عنوان عناصر پایین دست در مدار موضعی عمل میکنند که نتایج محاسبات قشر مغز را به ساختارهای زیر قشر دوردست پخش میکنند. (27) نورون‌های CT لایه 6 ورودی تالاموسی و موضعی کمی دریافت میکنند، اما در عوض ورودی عمدتاً از نواحی قشر مرتبه بالا دریافت میکنند. این نورون‌های CT به هسته رله تالاموس برمی‌گردند که ورودی تالاموکورتیکال را به بخش مربوطه قشر مغز می‌دهد و بنابراین در حلقه‌های تالاموکورتیکال تحریکی که برای ادغام سیگنال‌های دوربرد برای تعدیل فعالیت تالاموکورتیکال تخصص دارند، شرکت میکنند. تمام کلاس‌های نورون‌های تحریکی قشر با نورون‌های موضعی هم‌کلاس ارتباط‌های مکرر ایجاد میکنند.
FIGURE 24.4 Subtypes of cortical pyramidal cells.
Pyramidal cells are subdivided into three classes, intratelencephalic (IT), pyramidal tract (PT), and corticothalamic (CT), each consisting of multiple subclasses. Layer 4 ITs are the primary recipient of feedforward inputs from the thalamus or other cortical areas. The majority of IT neurons are located in supragranula in layer 5B and project to multiple subcortical regions as well as association nuclei of thalamus, striatum, subthalamic nucleus, tectum, brainstem, and spinal cord; PT also have axonal branches in the ipsilateral cortex, striatum, and thalamus. The CT neurons that are located in layer 6 project primarily to ipsilateral thalamus.
شکل 24.4 انواع فرعی سلول‌های هرمی قشر مغز. سلول‌های هرمی به سه دسته تقسیم می‌شوند، درون تلن‌سفالون (IT)، مسیر هرمی (PT) و کورتیکوتالامیک (CT) که هر کدام از زیر کلاس‌های متعددی تشکیل شده‌اند. ITهای لایه 4 دریافت کننده اصلی ورودی‌های پیش‌خوراندی از تالاموس یا سایر نواحی قشر مغز هستند. اکثر نورون‌های IT 🤔 در لایه 5B بالای دانهدار 🤔 قرار دارند و به چندین نواحی زیر قشری و همچنین هسته‌های ارتباطی تالاموس، جسم مخطط، هسته ساب‌تالاموس، تکتوم، ساقه مغز و طناب نخاعی پروجکت میکنند. PT همچنین دارای شاخه‌های آکسونی در قشر همان طرف، مخطط و تالاموس است. نورون‌های CT که در لایه 6 قرار دارند، عمدتاً به تالاموس همان طرف می‌روند.
FIGURE 24.5 Information flow in local excitatory cortical circuits.
Layer 4 intratelencephalic (IT) neurons are the first station for extrinsic forward excitatory (drive) inputs to the cortex, In primary sensory cortex, layer 4 IT neurons receive driving inputs from core-type thalamocortical neurons located in first-order thalamic relay nuclei. Layer 4 IT neurons in higher-order sensory areas receive long-range inputs from thalamic association nuclei sources as well as corticocortical feedforward inputs from lower-order areas. Layer 4 IT neurons project heavily to IT neurons in layers 2/3 and to layers 5/6, which constitute the second stage of the local excitatory circuit. Neurons of superficial layers L2/3 project forward to the next cortical area, forming a disynaptic route between thalamus and secondary cortical areas. Information from L2/3 is then sent to L5 and L6, which sends (intrinsic) feedback projections back to L4. The L5 IT cells originate feedback connections to earlier cortical areas. The large pyramidal tract (PT) neurons of layer 5B receive extensive inputs from IT neurons of multiple layers, strong direct thalamocortical inputs from thalamic association nuclei, and both feedforward and feedback corticocortical inputs and function act as downstream elements in the local circuit projecting to distant subcortical structures. The corticothalamic (CT) neurons of layer 6 receive input primarily from high-order cortical areas and project back to the thalamic relay nucleus, which provides the thalamocortical input to the corresponding portion of the cortex.
شکل 24.5 جریان اطلاعات در مدارهای کورتیکال تحریکی موضعی.
نورون‌های درون تلن‌سفالون (IT) لایه 4 در قشر حسی اولیه، اولین ایستگاه برای ورودی‌های تحریکی فوروارد بیرونی (محرک) به قشر هستند، نورون‌های IT لایه 4 ورودی‌های محرک را از نورون‌های core-type تالاموکورتیکال واقع در هسته‌های تقویت‌کننده مرتبه اول تالاموس دریافت میکنند. نورون‌های IT لایه 4 در نواحی حسی مرتبه بالاتر، ورودی‌های دوربرد را از منابع هسته‌های ارتباطی تالاموس و همچنین ورودی‌های پیشخوراند کورتیکوکورتیکال را از نواحی مرتبه پایین‌تر دریافت میکنند. نورون‌های IT لایه 4 تا حد زیادی به نورون‌های IT در لایه‌های 2/3 و به لایه‌های 5/6، که مرحله دوم مدار تحریکی موضعی را تشکیل می‌دهند، پروجکت میکنند. نورون‌های لایه‌های سطحی L2/3 به سمت ناحیه قشر بعدی پروجکت میکنند و مسیری غیرسیناپسی بین تالاموس و نواحی قشر ثانویه را تشکیل می‌دهند. آنگاه اطلاعات از L2/3 به L5 و L6 فرستاده می‌شود که پروجکت‌های پسخوراندی (درونی) را به L4 می‌فرستد. سلول‌های IT لایه L5 اتصالات پسخوراندی را با نواحی قشری اولیه ایجاد میکنند. نورون‌های مسیر هرمی (PT) بزرگ لایه 5B ورودی‌های گسترده‌ای از نورون‌های IT چندین لایه از جمله ورودی‌های مستقیم قوی تالاموکورتیکال از هسته‌های ارتباطی تالاموس، و ورودی‌های کورتیکوکورتیکال پیشخوراند و پس‌خوراند دریافت می‌کند و عملکرد آن به منزله عناصر پایین‌دستی در مدار موضعی به ساختارهای زیر قشری دوردست پروجکت می‌کند. نورون‌های کورتیکوتالاموس (CT) لایه 6 ورودی را عمدتاً از نواحی قشری پیچیده‌تر دریافت میکنند و به هسته تقویت‌کننده تالاموس بازمی‌گردند که ورودی تالاموکورتیکال را به بخش مربوطه قشر می‌دهد.
Cortical Columns
ستون‌های قشری
The functional unit of the neocortex cortex is the cortical column (Figure 24.6), (28) which can vary over three orders of magnitude between minicolumns, columns, and hyper-columns. The minicolumn extends vertically across layers 2-6 and includes principal cells and interneurons that are heavily connected in the vertical direction. Several hundreds of minicolumns are bound together to form functional columns. Columns are the elementary functional unit of the neocortex; they vary from 300 to 600 μm in dimension and each consists of 103 – 104 neurons. A cortical column is classically defined as a vertical alignment of cells containing neurons with similar receptive field properties, such as orientation preference and ocular dominance in V1 (29) or touch in somatosensory cortex. (28) The properties of every cortical column are shaped by the spatial and temporal integration of excitatory thalamocortical and corticocortical inputs and inhibitory GABAergic local circuit neurons. These properties are transitory and are determined by the fraction of the synaptic inputs that the column receives at a given time. Excitatory and inhibitory interactions between cortical columns preferentially connect neurons situated in close proximity to one another and thus link neurons with similar receptive-field properties. Columnar identity is maintained dynamically by per columnar (lateral) inhibition mediated by GABAergic interneurons.
واحد عملکردی قشر نئوکورتکس، ستون قشری است (شکل 24.6)، (28) که از نظر اندازه می‌تواند بین سه دسته متنوع، ستون‌های کوچک، ستون‌ها و ابر ستون‌ها قرار داشته باشد. ستون کوچک به صورت عمودی در لایه‌های 6-2 گسترش می‌یابد و شامل سلول‌های اصلی و نورون‌های رابط است که به شدت در جهت عمودی به هم متصل هستند. چند صد ستون کوچک به یکدیگر متصل شده اند تا ستون‌های کاربردی را تشکیل دهند. ستون‌ها واحد عملکردی اصلی نئوکورتکس هستند. ابعاد آنها از 300 تا 600 میکرومتر متغیر است و هر کدام 1000 تا 10000 نورون تشکیل شده است. یک ستون قشر به طور کلاسیک به عنوان یک تراز عمودی از سلول‌هایی تعریف می‌شود که حاوی نورون‌هایی با ویژگی‌های میدان پذیرای مشابه، مانند برتری جهت‌گیری و چشم غالبی در V1 (29) یا لمس در قشر حسی پیکری است. (28) خواص هر ستون قشر مغز با ادغام مکانی و زمانی ورودی‌های تحریکی تالاموکورتیکال و کورتیکوکورتیکال و نورون‌های مهاری گابائرژیک مدار موضعی شکل می‌گیرد. این خصوصیات ناپایدار هستند و با بخشی از ورودی‌های سیناپسی که ستون در یک زمان معین دریافت می‌کند، مشخص می‌شوند. برهم‌کنش‌های تحریک کننده و بازدارنده بین ستون‌های قشر مغز، ترجیحاً نورون‌هایی را که در مجاورت یکدیگر قرار دارند متصل میکنند و بنابراین نورون‌ها را با ویژگی‌های میدان دریافتی مشابه پیوند می‌دهند. هویت ستونی به‌صورت پویا به واسطه‌ی نورون‌های رابط گابائرژیک با مهار ستونی (جانبی) حفظ می‌شود.
FIGURE 24.6 Cortical column.
Columns are the elementary functional unit of the neocortex; they vary from 300 to 600 um in dimension and each consists of 103 – 104 neurons. A cortical column was classically defined as a vertical alignment of cells containing neurons with similar receptive field properties. The properties of every cortical column are shaped by the spatial and temporal integration of excitatory thalamocortical and corticocortical inputs and inhibitory GABAergic local circuit neurons. Columnar identity is maintained dynamically by per columnar (lateral) inhibition mediated by GABAergic interneurons. CT, corticothalamic neurons; IT, intratelencephalic neurons; PT, pyramidal tract neuron.
شکل 24.6 ستون قشر.
ستون‌ها واحد عملکردی اصلی نئوکورتکس هستند. ابعاد آنها از 300 تا 600 میکرومتر متغیر است و هر کدام از 1000 تا 10000 نورون تشکیل شده است. یک ستون قشر به طور کلاسیک به عنوان یک ردیف عمودی از سلول‌ها تعریف می‌شود که حاوی نورون‌های با ویژگی‌های میدان پذیرندگی مشابه هستند. ویژگی‌های هر ستون قشر مغز با ادغام مکانی و زمانی ورودی‌های تحریکی تالاموکورتیکال و کورتیکوکورتیکال و نورون‌های مهاری گابائرژیک مدار موضعی شکل می‌گیرد. هویت ستونی به‌صورت پویا به واسطه نورون‌های رابط گابائرژیک با مهار ستونی (جانبی) حفظ می‌شود. CT، نورون‌های کورتیکوتالاموس؛ IT، نورون‌های داخل تلن‌سفالون؛ PT، نورون مسیر هرمی.
INHIBITORY CORTICAL CIRCUITS
مدارهای مهاری کورتیکال
Information processing in the cerebral cortex depends on a large diversity of GABAergic interneurons, which constitute 25%-30% of all cortical neurons in primates. (27) These neurons form a highly heterogeneous group, which in part reflects their different developmental origins; some groups originate from the median ganglionic eminence and others from the lateral ganglionic eminence and other sources. GABAergic neuron precursors reach the cerebral cortex primarily via tangential migration. Cortical inhibitory interneurons are interconnected by gap junctions, primarily among interneurons of the same class. This connectivity results in the generation of interneuron networks that fire synchronously.
پردازش اطلاعات در قشر مغز به تنوع زیادی از نورون‌های رابط گابائرژیک بستگی دارد که در نخستی‌ها، 25 تا 30 درصد از نورون‌های قشری را تشکیل می‌دهند. (27) این نورون‌ها گروهی بسیار ناهمگن را تشکیل می‌دهند که تا حدی منشأ رشد متفاوت آنها را منعکس می‌کند. برخی از گروه‌ها از برجستگی گانگلیونی میانی و برخی دیگر از برجستگی گانگلیونی جانبی و سایر منابع منشأ می‌گیرند. پیش‌سازهای نورون‌های گابائرژیک عمدتاً از طریق مهاجرت مماسی به قشر مغز می‌رسند. نورون‌های مهاری قشر مغز با اتصالات شکاف‌دار، به هم مرتبط هستند. این اتصال عمدتاً در بین نورون‌های رابط هم‌رده وجود دارد و منجر به تولید شبکههای نورونی می‌شود که به طور همزمان شلیک میکنند.
Heterogeneity of Cortical Inhibitory Neurons
ناهمگونی نورون‌های مهاری قشر مغز
Cortical interneurons are classified according to their expression of neurochemical markers, electrophysiological properties, targets, and functions (27,30,31) (Figure 24.7). There are multiple groups of cortical GABAergic interneurons. A simplified classification subdivides them into those expressing the calcium-binding protein parvalbumin (PV), those expressing somatostatin (SOM), and those expressing the ionotropic serotonin 5HT3a receptor (5HT3aR). However these groups are highly diverse. (32) The PV interneurons are fast-spiking and include basket cells and axon-axonic chandelier neurons. Basket cells form perisomatic synapses on both pyramidal cells and other interneurons; chandelier neurons form candlestick-like synaptic terminal arrays that specifically target the axon initial segment of pyramidal cells. The fast-spiking of these PV neurons depends on the expression and kinetics of their fast Na 1.1 and K3.3 channels, and ensures that they produce a fast, reliable, strong, and temporally precise inhibition on their target cells. By producing hyperpolarizing and/or shunting inhibition close to the site of action potential generation, both types of PV GABAergic neurons influence the output of their target neurons. In the neocortex, GABAergic synapses of chandelier cells may elicit depolarization due to a higher intracellular Cl concentration at the axon initial segment; whether these synapses are excitatory or inhibitory may depend on the excitatory state of the postsynaptic cell. The prototype SOM expressing GABAergic interneurons are Martinotti cells, which are present in layers 2/3 and 5/6 and form axonal plexuses in layer 1, targeting the tuft dendrites and dendritic spines of pyramidal cells. SOM interneurons are activated by axon collaterals of pyramidal cells and thus have a major role in feedback inhibition in the cerebral cortex. SOM neurons have a low-threshold spiking pattern and receive weak excitatory synaptic input but are strongly facilitated during repetitive stimulation. The 5-HT3aR-expressing GABAergic interneurons constitute a heterogeneous group. They include vasoactive intestinal polypeptide (VIP)-expressing neurons, cholecystokinin (CCK) expressing basket cells, and neurogliaform cells. The VIP interneurons are present mainly in layers 2/3 and their majority have vertically oriented, bipolar-like dendrites and an axon that targets other inhibitory interneurons. The dendrites of VIP neurons cross several layers in either direction, can sample inputs restricted to one column, and can be targeted by many intra-cortical and subcortical projections. The axons of layer 2/3 VIP interneurons are also directed vertically, in a narrow columnar fashion often reaching layer 4 and layers 5/6. Neocortical and hippocampal CCK basket cells expressing 5-HT3Ra also express CB1 cannabinoid receptors and provide perisomatic inhibition to principal cells. Activation of the CB1 receptors by endocannabinoids generated in postsynaptic cells inhibits GABA release from CCK basket cells and suppresses this inhibition. Neurogliaform cells are located in layer 1 and have small, round soma from which multiple, very short dendrites spread radially in all directions and a wider, spherical, very dense axonal plexus composed of fine branches with widespread connections with neighboring neurons. Layer 1 contains several types of neurogliaform and other types of interneurons that express neuron-derived neurotrophic factor (NDNF), a7 nicotinic receptors, reelin, neuropeptide Y, and nitric oxide synthase.
نورون‌های رابط قشری بر اساس بیان نشانگرهای نوروشیمیایی، خواص الکتروفیزیولوژی، اهداف و عملکردها (27،30،31) طبقه بندی می‌شوند (شکل 24.7). گروه‌های متعددی از اینترنورون‌های گابائرژیک قشری وجود دارد. یک طبقه بندی ساده آنها را به این صورت تقسیم می‌کند: آنهایی که پروتئین متصل شونده به کلسیم پاروالبومین (PV) را بیان میکنند، آنهایی که سوماتوستاتین (SOM) را بیان میکنند و آنهایی که گیرنده‌های یونوتروپیک سروتونین 5HT3a (5HT3aR) را بیان میکنند. با این حال این گروه‌ها بسیار متنوع هستند. (32) نورون‌های رابط PV سریع اسپایک هستند و شامل سلول‌های سبدی و نورون‌های لوستری آکسون آکسونیک می‌شوند. سلول‌های سبدی، سیناپس‌هایی را روی جسم سلولی سلول‌های هرمی و سایر نورون‌ها تشکیل می‌دهند. مجموعه پایانه‌های سیناپسی نورون‌های لوستری با شکلی شبیه جاشمعی، به طور خاص بخش اولیه آکسون سلول‌های هرمی را هدف قرار می‌دهند. اسپایک سریع نورون‌های PV به بیان و سینتیک کانال‌های سریع Na 1.1 و K3.3 آنها بستگی دارد و تضمین می‌کند که آنها یک مهار سریع، مطمئن، قوی و از نظر زمانی دقیق روی سلول‌های هدف خود ایجاد میکنند. هر دو نوع نورون‌های گابائرژیک PV با ایجاد مهار هایپرپلاریزه و یا شانت در نزدیکی محل تولید پتانسیل عمل، بر خروجی نورون‌های هدف خود تأثیر می‌گذارند. سیناپس‌های گابائرژیک سلول‌های لوستری در نئوکورتکس، به دلیل افزایش غلظت درون سلولی کلر در بخش ابتدایی آکسون باعث دپلاریزاسیون می‌شوند. تحریکی یا مهاری بودن این سیناپس‌ها ممکن است به حالت تحریکی سلول پس‌سیناپسی بستگی داشته باشد. نمونه اصلی SOM که نورون‌های رابط گابائرژیک را نشان می‌دهد سلول‌های مارتینوتی است. این سلول‌ها در لایه‌های 2/3 و 5/6 وجود دارند و شبکههای آکسونی را در لایه 1 تشکیل می‌دهند که کلاف‌های دندریتی و خارهای دندریتی سلول‌های هرمی را هدف قرار می‌دهند. نورون‌های SOM توسط شاخه‌های جانبی آکسونی سلول‌های هرمی فعال می‌شوند و بنابراین نقش عمده ای در مهار پس‌خوراند در قشر مغز دارند. نورون‌های SOM دارای الگوی اسپایک آستانه پایین هستند و ورودی سیناپسی تحریکی ضعیفی دریافت میکنند، اما در طول تحریک تکراری به شدت تسهیل می‌شوند. اینترنورون‌های گابائرژیک بیان کننده 5-HT3aR یک گروه ناهمگن را تشکیل می‌دهند. آنها شامل سلول‌های عصبی بیان کننده پلی پپتید وازواکتیو روده (VIP)، سلول‌های سبدی بیان کننده کوله سیستوکینین (CCK) و سلول‌های نوروگلیافرم هستند. نورون‌های VIP عمدتاً در لایه‌های 2/3 وجود دارند و بسیاری از آنها دندریت‌های دوقطبی‌شکل در راستای عمودی و یک آکسون دارند که سایر نورون‌های مهاری را هدف قرار می‌دهد. دندریت‌های نورون‌های VIP از چندین لایه در هر دو جهت عبور میکنند، می‌توانند ورودی‌های محدود به یک ستون را نمونه‌برداری کنند، و می‌توانند توسط بسیاری از پروجکشن‌های درون قشری و زیر قشری هدف قرار گیرند. آکسون‌های نورون‌های رابط VIP لایه 2/3 نیز به صورت عمودی هدایت می‌شوند، به شکل ستونی باریک اغلب به لایه 4 و لایه‌های 5/6 می‌رسند. سلول‌های سبدی CCK نئوکورتیکال و هیپوکامپ که 5-HT3Ra را بیان میکنند، گیرنده‌های کانابینوئیدی CB1 را نیز بیان میکنند و مهار پری‌سوماتیک را برای سلول‌های اصلی فراهم میکنند. اندوکانابینوئیدهای تولید شده در سلول‌های پس‌سیناپسی با فعال‌سازی گیرنده‌های CB1، آزادسازی گابا از سلول‌های سبدی CCK را مهار می‌کند و بدین ترتیب مهار آنها را محدود می‌کند. سلول‌های نوروگلیافرم در لایه 1 قرار دارند و دارای جسم سلولی گرد و کوچک هستند که از آن دندریت‌های متعدد و بسیار کوتاه به صورت شعاعی در همه جهات پخش می‌شوند. این سلول‌ها یک شبکه آکسونی پهن، کروی و بسیار متراکم متشکل از شاخه‌های ظریف با اتصالات گسترده با نورون‌های مجاور دارند. لایه 1 حاوی انواع مختلفی از نوروگلیافرم و انواع دیگر اینترنورون‌هایی است که فاکتور نوروتروفیک مشتق از نورون (NDNF)، گیرنده‌های نیکوتین a7، ریلین، نوروپپتید Y و نیتریک اکسید سنتاز را بیان میکنند.
FIGURE 24.7 Main classes of cortical inhibitory neurons.
There are three main groups of cortical GABAergic interneurons: those expressing the calcium-binding protein parvalbumin (PV), those expressing somatostatin (SOM), and those expressing the ionotropic serotonin 5-HT3a receptor (5-HT3aR). The PV interneurons are fast-spiking neurons and include basket cells and axon-axonic chandelier neurons. The prototype SOM neurons are Martinotti cells, which are present in layers 2/3 and 5/6 and form axonal plexuses in layer 1 targeting the tuft dendrites and dendritic spines of pyramidal cells. The 5-HT3aR-expressing interneurons constitute a heterogeneous group. They include vasoactive intestinal polypeptide (VIP)-expressing neurons; cholecystokinin (CCK)-expressing basket cells (not shown), and neurogliaform cells. The VIP interneurons are present mainly in layers 2/3 and have vertically oriented, bipolar-like dendrites. VIP neurons primarily target other inhibitory interneurons, particularly SOM but also PV neurons. Neurogliaform cells have small, round soma from which multiple, very short dendrites spread radially in all directions and a wider, spherical, very dense axonal plexus composed of fine branches with widespread connections with neighboring neurons.
شکل 24.7 کلاس‌های اصلی نورون‌های بازدارنده قشر مغز.
سه گروه اصلی از اینترنورون‌های گابائرژیک قشر مغز وجود دارد: آنهایی که پروتئین متصل کننده به کلسیم پاروالبومین (PV) را بیان میکنند، آنهایی که سوماتوستاتین (SOM) را بیان میکنند و آنهایی که گیرنده یونوتروپیک سروتونین 5-HT3a (5-HT3aR) را بیان میکنند. نورون‌های رابط PV نورون‌هایی هستند که به سرعت اسپایک می‌شوند و شامل سلول‌های سبدی و نورون‌های لوستری آکسون آکسونیک هستند. نمونه اصلی سلول‌های عصبی SOM سلول‌های مارتینوتی هستند که در لایه‌های 2/3 و 5/6 وجود دارند و شبکههای آکسونی را در لایه 1 تشکیل می‌دهند که دندریت‌های tuft و خارهای دندریتی سلول‌های هرمی را هدف قرار می‌دهند. نورون‌های بیان کننده 5-HT3aR یک گروه ناهمگن را تشکیل می‌دهند. آنها شامل نورون‌های بیان کننده پلی پپتید روده ای فعال کننده رگ (VIP) می‌باشند. سلول‌های سبدی بیان کننده کوله سیستوکینین (CCK) (نمایش داده نشده) و سلول‌های نوروگلیافرم. نورون‌های VIP عمدتاً در لایه‌های 2/3 وجود دارند و دارای دندریت‌های دوقطبی مانند دارای جهت عمودی هستند. نورون‌های VIP در درجه اول سایر نورون‌های بازدارنده، به ویژه SOM و همچنین نورون‌های PV را هدف قرار می‌دهند. سلول‌های نوروگلیافرم دارای جسم سلولی گرد و کوچک هستند که از آن دندریت‌های متعدد و بسیار کوتاه به صورت شعاعی در تمام جهات پخش می‌شوند و شبکه آکسونی پهن تر، کروی شکل و بسیار متراکم متشکل از شاخه‌های ظریف با اتصالات گسترده با نورون‌های مجاور است.
Canonical Inhibitory Circuits in the Cerebral Cortex
مدارهای مهاری مرسوم در قشر مغز
The main inhibitory circuit motifs in the neocortex are feedforward inhibition, feedback inhibition, and disinhibition. Feedforward inhibition in the neocortex is largely mediated by PV fast spiking basket cells (Figure 24.8). These cells are recruited by thalamocortical afferents in layer 4 of primary sensory cortices. As the synaptic effects of thalamic afferents are faster and greater on PV interneurons than on pyramidal neurons, thalamocortical inputs elicit a strong, disynaptic feedforward inhibition of the principal cells that lags with a very short delay behind the monosynaptic thalamocortical excitation. This creates a limited temporal window of opportunity for the principal cells to summate afferent inputs and to fire in response to sensory signals. Basket cells are also recruited by inputs from their target pyramidal cells, and their fast-spiking activity and strong inhibitory effects on pyramidal cells provide the basis for circuit oscillation at gamma frequency. The gamma cycle reflects the alternation of periods of strong inhibition, during which pyramidal neurons are less receptive to synaptic inputs, with short periods with weak inhibition, during which pyramidal neurons can fire an action potential. Although PV basket interneurons interconnect with other PV interneurons, their strong connectivity to principal cells can result in synchronizing a highly interconnected population on a short timescale. This feedforward inhibitory circuit is suppressed via presynaptic muscarinic M2 cholinergic and GABA receptors on GABAergic terminals of PV basket cells.
الگوهای اصلی مدار مهاری در نئوکورتکس عبارتند از: مهار پیشخوراند، مهار پس‌خوراند و بازداری‌زدایی. مهار پیشخوراند در نئوکورتکس تا حد زیادی توسط سلول‌های سبدی اسپایک سریع PV انجام می‌شود (شکل 24.8). این سلول‌ها توسط آوران‌های تالاموکورتیکال در لایه 4 قشر حسی اولیه به کار گماشته می‌شوند. از آنجایی که اثرات سیناپسی آوران‌های تالاموس روی نورون‌های PV سریع‌تر و بیشتر از نورون‌های هرمی است، ورودی‌های تالاموکورتیکال باعث مهار پیشخوراند قوی و دو سیناپسی سلول‌های اصلی می‌شوند که با تاخیر بسیار کوتاهی از تحریک تالاموکورتیکال تک سیناپسی عقب می‌مانند. این یک فرصت زمانی محدود برای سلول‌های اصلی ایجاد می‌کند تا ورودی‌های آوران را جمع کنند و در پاسخ به سیگنال‌های حسی شلیک کنند. سلول‌های سبدی نیز توسط ورودی‌های هدف‌شان یعنی سلول‌های هرمی به کار گماشته می‌شوند و فعالیت سریع و اثرات بازدارنده قوی آنها بر روی سلول‌های هرمی، مبنا و اساسی را برای نوسان مدار در فرکانس گاما فراهم می‌کند. چرخه گاما منعکس کننده تناوب دوره‌های بازداری قوی است، که طی آن نورون‌های هرمی کمتر پذیرای ورودی‌های سیناپسی هستند، با دوره‌های کوتاه با مهار ضعیف، که طی آن نورون‌های هرمی می‌توانند پتانسیل عمل را ایجاد کنند. اگرچه اینترنورون‌های سبدی PV با سایر نورون‌های PV متصل می‌شوند، اتصال قوی آنها به سلول‌های اصلی می‌تواند منجر به همگام‌سازی یک جمعیت بسیار بهم پیوسته در مقیاس زمانی کوتاه شود. این مدار مهاری پیشخوراند از طریق گیرنده‌های موسکارینی M2 کولینرژیک و گابای پیش‌سیناپسی در پایانه‌های گابائرژیک سلول‌های سبدی PV سرکوب می‌شود.
FIGURE 24.8 Roles of parvalbumin neurons in the neocortex.
Fast-spiking parvalbumin (PV) basket cells mediate feedforward in the neocortex. They are recruited by thalamocortical afferents and produce disynaptic feedforward inhibition of the principal cells. This creates a limited temporal window of opportunity for the principal cells to summate afferent inputs and to fire in response to sensory signals. Basket cells also receive inputs from their target pyramidal cells and are thus important for oscillatory activity in local cortical networks. Although PV basket interneurons interconnect with other PV interneurons, their strong connectivity to principal cells can result in synchronizing a highly interconnected population on the short time scale.
شکل 24.8 نقش نورون‌های پاروالبومین در نئوکورتکس.
سلول‌های سبدی اسپایک سریع پاروالبومین (PV) در نئوکورتکس به سمت جلو حرکت میکنند. آنها توسط آوران‌های تالاموکورتیکال جذب می‌شوند و مهار پیش‌خور دی‌سیناپسی سلول‌های اصلی را تولید میکنند. این یک پنجره زمانی محدود از فرصت برای سلول‌های اصلی ایجاد می‌کند تا ورودی‌های آوران را جمع کنند و در پاسخ به سیگنال‌های حسی شلیک کنند. سلول‌های سبد نیز ورودی‌هایی را از سلول‌های هرمی‌هدف خود دریافت میکنند و بنابراین برای فعالیت نوسانی در شبکههای قشر محلی مهم هستند. اگرچه اینترنورون‌های سبد PV با سایر نورون‌های PV ارتباط دارند، اتصال قوی آنها به سلول‌های اصلی می‌تواند منجر به همگام‌سازی یک جمعیت بسیار بهم پیوسته در مقیاس زمانی کوتاه شود.
The second major circuit motif is feedback (recurrent) inhibition, in which the source of excitation of the interneurons are axon collaterals from local principal cells (Figure 24.9). This inhibitory feedback reduces or prevents further discharges of the excitatory cell and controls the excitatory-inhibitory balance of local populations of principal cells. Interneurons can inhibit not only the principal cell from which it received excitation but also others that are part of either local or neighboring populations; this phenomenon is referred to as lateral inhibition. Feedback inhibitory circuits in the neocortex may involve either PV or SOM interneurons. Whereas the response of PV interneurons to repetitive inputs is initially high and rapidly decreases, SOM interneurons are recruited more slowly but undergo synaptic facilitation and excitatory postsynaptic potential summation. Thus, these interneurons function as detectors of the most active excitatory cells in the local network and prevent synchronized activity of pools of pyramidal neurons. SOM interneurons also receive robust cholinergic input that depolarizes these neurons largely via M1 muscarinic receptors. These cholinergic inputs promote feedback inhibition via SOM interneurons and thus desynchronize background cortical activity.
دومین الگوی مدار اصلی مهار پسخوراندی (بازگشت‌کننده) است که در آن منبع تحریکی نورون‌های رابط، شاخه‌های جانبی آکسونی از سلول‌های اصلی موضعی هستند (شکل 24.9). این پس‌خوراند مهاری باعث کاهش یا جلوگیری از تخلیه بیشتر سلول تحریکی می‌شود و تعادل تحریکی-مهاری جمعیت‌های موضعی سلول‌های اصلی را کنترل می‌کند. نورون‌های رابط نه تنها می‌توانند سلول اصلی را که از آن تحریک را دریافت کرده، مهار کنند بلکه سایر سلول‌هایی را که بخشی از جمعیت‌های موضعی یا مجاور هستند، مهار کنند. این پدیده را مهار جانبی می‌نامند. مدارهای مهاری پس‌خوراند در نئوکورتکس ممکن است شامل نورون‌های PV یا SOM باشد. در حالی که پاسخ نورون‌های PV به ورودی‌های تکراری در ابتدا زیاد است و به سرعت کاهش می‌یابد، نورون‌های SOM کندتر به کار گماشته می‌شوند اما تحت تسهیل سیناپسی و جمع پتانسیل پس سیناپسی تحریکی قرار می‌گیرند. بنابراین، این نورون‌های رابط به عنوان آشکارساز فعال‌ترین سلول‌های تحریک‌کننده در شبکه موضعی عمل میکنند و از فعالیت همزمان گروه‌بندی‌های نورون‌های هرمی جلوگیری میکنند. نورون‌های SOM همچنین ورودی کولینرژیک قوی دریافت میکنند که این نورون‌ها را تا حد زیادی از طریق گیرنده‌های موسکارینی M1 دپلاریزه می‌کند. این ورودی‌های کولینرژیک، مهار پس‌خوراند را از طریق نورون‌های SOM ترویج میکنند و بنابراین فعالیت پسزمینهای قشر را همگام‌سازی نمی‌کنند.
FIGURE 24.9 Neocortical somatostatin neurons and feedback inhibition.
Somatostatin (SOM) neurons receive input from collateral highly active pyramidal cells and project to their apical dendrites, exerting powerful feedback inhibition and also inhibit neighboring populations (lateral inhibition). These neurons are activated by acetylcholine and may be involved in mechanisms of cortical desynchronization.
شکل 24.9 نورون‌های سوماتوستاتین نئوکورتیکال و مهار پسخوراندی.
نورون‌های سوماتواستاتین (SOM) از شاخه‌های جانی سلول‌های هرمی بسیار فعال، ورودی دریافت میکنند و به دندریت‌های آپیکال خود پروجکت میکنند و مهار پس‌خوراند قدرتمندی را اعمال میکنند و همچنین جمعیت‌های مجاور را مهار میکنند (مهار جانبی). این نورون‌ها توسط استیل کولین فعال می‌شوند و ممکن است در مکانیسم‌های ناهمزمانی قشر مغز نقش داشته باشند.
The third major inhibitory circuit motif is disinhibition, which is mediated by VIP interneurons in layers 2/3 that target SOM and to a lesser extent PV interneurons (Figure 24.10). As VIP neurons are excited by corticocortical feed-back projections from higher-order cortices, they have a major role in mediating attentional modulation of excitability of pyramidal neurons by reducing their inhibition by SOM or PV interneurons. The VIP neurons are also strongly depolarized by serotonin via 5HT3Rs and by acetylcholine via nicotinic receptors and thus also mediate attentional effects of these ascending neuromodulatory systems.
سومین الگوی اصلی مدار بازدارنده، مهارگسیختگی است که به واسطه‌ی نورون‌های رابط VIP در لایه‌های 2/3 انجام می‌شود و SOM و به میزان کمتری نورون‌های PV را هدف قرار می‌دهند. (شکل 24.10). از آنجایی که نورون‌های VIP توسط پروجکت‌های پس‌خوراند کورتیکوکورتیکال از قشرهای پیچیده برانگیخته می‌شوند، آنها با کاهش مهار نورون‌های هرمی توسط نورون‌های SOM یا PV نقش عمده‌ای در تعدیل توجه از لحاظ تحریک‌پذیری نورون‌های هرمی دارند. نورون‌های VIP نیز به شدت توسط سروتونین از طریق 5HT3Rs و توسط استیل کولین از طریق گیرنده‌های نیکوتین دپلاریزه می‌شوند و بنابراین سبب تأثیرات توجه این سیستم‌های تعدیل کننده عصبی صعودی می‌شوند.
In some cases, feedback connections can inhibit sensory processing via inputs to neurogliaform cells in layer 1, which are interconnected with each other via electrical connections and provide strong monosynaptic inhibition to layer 2/3 pyramidal cells. Neurogliaform neurons par- ticipate in mechanisms of volume transmission and elicit slow, long-lasting inhibition on pyramidal cells and other interneurons through a combined activation of extrasynaptic GABA and 8-subunit-containing GABA receptors. Layer 1 contains the apical dendritic tufts of pyramidal cells and receives converging top-down projections from other cortical areas, higher-order thalamus and basal forebrain. When action potentials backpropagating from the soma into the apical dendrites coincide with dendritic excitatory inputs, they facilitate the generation of dendritic Ca2+ spikes thus enhancing probability of action potential generation. This may constitute a coincidence detector mechanism for top-down and bottom-up inputs on pyramidal cells. GABAergic inputs from SOM positive Martinotti cells and layer 1 interneurons shape local dendritic integration in pyramidal cells and thus control circuit plasticity and learning. Reduction in SOM interneuron signaling promotes learning by enabling top-down inputs to elicit plastic changes on apical pyramidal cell dendrites. Layer 1 interneurons receive strong excitatory long-range top-down projections from other cortical areas, high-order thalamic nuclei, and basal forebrain. These interneurons not only elicit long-lasting inhibition of apical dendrites of pyramidal cells but also engage a disinhibitory circuit by inhibiting PV expressing GABAergic interneurons in other layers. Thus the balanced influences of SOM interneurons and lamina 1 inhibitory neurons may differentially shape associative learning in the cortex.
در برخی موارد، اتصالات پسخوراندی می‌توانند پردازش حسی را از طریق ورودی‌های سلول‌های نوروگلیافرم در لایه 1، که از طریق اتصالات الکتریکی با یکدیگر در ارتباط هستند، مهار کنند و مانع تک‌سیناپسی قوی برای سلول‌های هرمی لایه 2/3 می‌شوند. نورون‌های نوروگلیافرم در مکانیسم‌های انتقال حجم شرکت میکنند و از طریق فعال‌سازی ترکیبی گیرنده‌های GABA خارج سیناپسی و GABA حاوی 8 زیرواحد، مهار آهسته و طولانی‌مدت را بر روی سلول‌های هرمی و سایر نورون‌های رابط ایجاد میکنند. لایه 1 شامل تافت‌های دندریتی آپیکال سلول‌های هرمی است و پروجکت‌های همگرا از بالا به پایین را از سایر نواحی قشر مغز، تالاموس پیچیده‌تر و قاعده مغز قدامی دریافت می‌کند. هنگامی که پتانسیل‌های عمل پس از انتشار از جسم‌سلولی به دندریت‌های آپیکال با ورودی‌های تحریک‌کننده دندریتی منطبق می‌شوند، تولید اسپایک‌های کلسیمی دندریتی را تسهیل میکنند و در نتیجه احتمال تولید پتانسیل عمل را افزایش می‌دهند. این ممکن است یک مکانیسم آشکارساز تصادفی برای ورودی‌های بالا به پایین و پایین به بالا در سلول‌های هرمی باشد. ورودی‌های گابا از سلول‌های مارتینوتی مثبت SOM و نورون‌های لایه 1، ادغام دندریتی موضعی را در سلول‌های هرمی‌شکل می‌دهند و بنابراین انعطاف‌پزیری و یادگیری مدار را کنترل میکنند. کاهش در سیگنال دهی نورون رابط SOM با فعال کردن ورودی‌های بالا به پایین برای ایجاد تغییرات انعطاف‌پذیری در دندریت‌های آپیکال سلول هرمی، یادگیری را ارتقا می‌دهد. نورون‌های لایه 1 از بالا به پایین پروجکت‌های تحریکی قوی از سایر نواحی قشر مغز، هسته‌های تالاموس پیچیده‌تر و قاعده مغز قدامی دریافت میکنند. این نورون‌های رابط نه تنها باعث مهار طولانی‌مدت دندریت‌های آپیکال سلول‌های هرمی می‌شوند، بلکه با مهار نورون‌های گابائرژیک بیان‌کننده PV در لایه‌های دیگر، یک مدار بازدارنده را درگیر میکنند. بنابراین تأثیرات متعادل نورون‌های SOM و نورون‌های بازدارنده لایه 1 ممکن است به طور متفاوتی، یادگیری ارتباطی را در قشر مغز شکل دهند.
آفرین و سپاس از کوشش و خردتان