Network-level encoding of local neurotransmitters in cortical astrocytes
Creators
- 1. University of California, San Francisco
- 2. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
- 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 4. University of Buenos Aires
Description
Abstract Astrocytes, the most abundant non-neuronal cell type in the mammalian brain, are crucial circuit components that respond to and modulate neuronal activity through calcium (Ca 2+ ) signalling 1–7 . Astrocyte Ca 2+ activity is highly heterogeneous and occurs across multiple spatiotemporal scales—from fast, subcellular activity 3,4 to slow, synchronized activity across connected astrocyte networks 8–10 —to influence many processes 5,7,11 . However, the inputs that drive astrocyte network dynamics remain unclear. Here we used ex vivo and in vivo two-photon astrocyte imaging while mimicking neuronal neurotransmitter inputs at multiple spatiotemporal scales. We find that brief, subcellular inputs of GABA and glutamate lead to widespread, long-lasting astrocyte Ca 2+ responses beyond an individual stimulated cell. Further, we find that a key subset of Ca 2+ activity—propagative activity—differentiates astrocyte network responses to these two main neurotransmitters, and may influence responses to future inputs. Together, our results demonstrate that local, transient neurotransmitter inputs are encoded by broad cortical astrocyte networks over a minutes-long time course, contributing to accumulating evidence that substantial astrocyte–neuron communication occurs across slow, network-level spatiotemporal scales 12–14 . These findings will enable future studies to investigate the link between specific astrocyte Ca 2+ activity and specific functional outputs, which could build a consistent framework for astrocytic modulation of neuronal activity.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلايا النجمية المجردة، وهي أكثر أنواع الخلايا غير العصبية وفرة في دماغ الثدييات، هي مكونات دارة حاسمة تستجيب للنشاط العصبي وتعدله من خلال إشارات الكالسيوم (Ca 2+) 1–7 . نشاط الخلايا النجمية Ca 2+ غير متجانس للغاية ويحدث عبر نطاقات زمانية مكانية متعددة - من النشاط السريع تحت الخلوي 3،4 إلى النشاط البطيء والمتزامن عبر شبكات الخلايا النجمية المتصلة 8–10 - للتأثير على العديد من العمليات 5،7،11 . ومع ذلك، فإن المدخلات التي تحرك ديناميكيات شبكة الخلايا النجمية لا تزال غير واضحة. استخدمنا هنا تصوير الخلايا النجمية خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي ثنائي الفوتون أثناء محاكاة مدخلات الناقل العصبي العصبي على نطاقات مكانية وزمانية متعددة. نجد أن المدخلات الموجزة تحت الخلوية من GABA والجلوتامات تؤدي إلى استجابات واسعة النطاق وطويلة الأمد للخلايا النجمية Ca 2+ خارج الخلية المحفزة الفردية. علاوة على ذلك، نجد أن مجموعة فرعية رئيسية من نشاط Ca 2+ - النشاط التكاثري - تميز استجابات شبكة الخلايا النجمية لهذين الناقلين العصبيين الرئيسيين، وقد تؤثر على الاستجابات للمدخلات المستقبلية. تُظهر نتائجنا معًا أن مدخلات الناقل العصبي المحلي العابر يتم تشفيرها بواسطة شبكات الخلايا النجمية القشرية الواسعة على مدار دورة زمنية مدتها دقائق، مما يساهم في تراكم الأدلة على أن الاتصال الكبير بين الخلايا النجمية والخلايا العصبية يحدث عبر المقاييس المكانية الزمانية البطيئة على مستوى الشبكة 12–14 . ستمكن هذه النتائج الدراسات المستقبلية من التحقيق في العلاقة بين نشاط الخلية النجمية المحدد Ca 2+ والمخرجات الوظيفية المحددة، والتي يمكن أن تبني إطارًا ثابتًا للتعديل النجمي للنشاط العصبي.Translated Description (French)
Résumé Les astrocytes, le type de cellules non neuronales le plus abondant dans le cerveau des mammifères, sont des composants de circuit cruciaux qui répondent et modulent l'activité neuronale par la signalisation du calcium (Ca 2+ ) 1–7 . L'activité Ca 2+ des astrocytes est très hétérogène et se produit à travers plusieurs échelles spatio-temporelles - de l'activité subcellulaire rapide 3,4 à l'activité lente et synchronisée à travers les réseaux d'astrocytes connectés 8–10 - pour influencer de nombreux processus 5,7,11 . Cependant, les entrées qui pilotent la dynamique du réseau astrocytaire restent floues. Ici, nous avons utilisé l'imagerie astrocytaire ex vivo et in vivo à deux photons tout en imitant les entrées des neurotransmetteurs neuronaux à plusieurs échelles spatio-temporelles. Nous constatons que de brefs apports subcellulaires de GABA et de glutamate conduisent à des réponses étendues et durables de Ca 2+ astrocytaire au-delà d'une cellule stimulée individuelle. En outre, nous constatons qu'un sous-ensemble clé de l'activité de propagation de l'activité du Ca 2+ différencie les réponses du réseau astrocytaire à ces deux principaux neurotransmetteurs et peut influencer les réponses aux intrants futurs. Ensemble, nos résultats démontrent que les entrées locales et transitoires des neurotransmetteurs sont codées par de larges réseaux d'astrocytes corticaux sur une durée de quelques minutes, ce qui contribue à accumuler des preuves qu'une communication importante entre les astrocytes et les neurones se produit à travers des échelles spatio-temporelles lentes au niveau du réseau 12–14 . Ces résultats permettront aux futures études d'étudier le lien entre l'activité spécifique du Ca 2+ astrocytaire et les sorties fonctionnelles spécifiques, ce qui pourrait construire un cadre cohérent pour la modulation astrocytaire de l'activité neuronale.Translated Description (Spanish)
Resumen Los astrocitos, el tipo de célula no neuronal más abundante en el cerebro de los mamíferos, son componentes cruciales del circuito que responden y modulan la actividad neuronal a través de la señalización de calcio (Ca 2+ ) 1–7 . La actividad del Ca 2+ de los astrocitos es altamente heterogénea y se produce en múltiples escalas espaciotemporales, desde la actividad subcelular rápida 3,4 hasta la actividad lenta y sincronizada en las redes de astrocitos conectadas 8–10, para influir en muchos procesos 5,7,11 . Sin embargo, las entradas que impulsan la dinámica de la red de astrocitos siguen sin estar claras. Aquí utilizamos imágenes de astrocitos de dos fotones ex vivo e in vivo mientras imitábamos las entradas de neurotransmisores neuronales en múltiples escalas espaciotemporales. Encontramos que los aportes breves y subcelulares de GABA y glutamato conducen a respuestas de Ca 2+ de astrocitos generalizadas y duraderas más allá de una célula estimulada individual. Además, encontramos que un subconjunto clave de la actividad de Ca 2+, la actividad propagativa, diferencia las respuestas de la red de astrocitos a estos dos neurotransmisores principales y puede influir en las respuestas a entradas futuras. En conjunto, nuestros resultados demuestran que las entradas locales y transitorias de neurotransmisores están codificadas por amplias redes de astrocitos corticales en un transcurso de tiempo de minutos, lo que contribuye a acumular evidencia de que se produce una comunicación sustancial entre astrocitos y neuronas a través de escalas espaciotemporales lentas a nivel de red 12–14 . Estos hallazgos permitirán que futuros estudios investiguen el vínculo entre la actividad específica del Ca 2+ de los astrocitos y las salidas funcionales específicas, lo que podría construir un marco consistente para la modulación astrocítica de la actividad neuronal.Files
s41586-024-07311-5.pdf.pdf
Files
(14.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:fbc5645ecc5592f0a1b6c939b449a39a
|
14.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ترميز على مستوى الشبكة للناقلات العصبية المحلية في الخلايا النجمية القشرية
- Translated title (French)
- Encodage au niveau du réseau des neurotransmetteurs locaux dans les astrocytes corticaux
- Translated title (Spanish)
- Codificación a nivel de red de neurotransmisores locales en astrocitos corticales
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4394876835
- DOI
- 10.1038/s41586-024-07311-5
References
- https://openalex.org/W1507338157
- https://openalex.org/W1586815960
- https://openalex.org/W1965107913
- https://openalex.org/W1974420316
- https://openalex.org/W1978111097
- https://openalex.org/W2002247284
- https://openalex.org/W2013223495
- https://openalex.org/W2015174816
- https://openalex.org/W2016185767
- https://openalex.org/W2029542833
- https://openalex.org/W2034809729
- https://openalex.org/W2039067152
- https://openalex.org/W2048270592
- https://openalex.org/W2061481326
- https://openalex.org/W2068505134
- https://openalex.org/W2070408678
- https://openalex.org/W2075636154
- https://openalex.org/W2076587210
- https://openalex.org/W2079574859
- https://openalex.org/W2083689587
- https://openalex.org/W2093606296
- https://openalex.org/W2103244356
- https://openalex.org/W2110615319
- https://openalex.org/W2116308842
- https://openalex.org/W2125390340
- https://openalex.org/W2131802146
- https://openalex.org/W2132048345
- https://openalex.org/W2135027010
- https://openalex.org/W2147800368
- https://openalex.org/W2152137672
- https://openalex.org/W2152712045
- https://openalex.org/W2164811687
- https://openalex.org/W2181523240
- https://openalex.org/W2237168544
- https://openalex.org/W2343186916
- https://openalex.org/W2550190802
- https://openalex.org/W2559768163
- https://openalex.org/W2562109833
- https://openalex.org/W2611326560
- https://openalex.org/W2616354017
- https://openalex.org/W2740546279
- https://openalex.org/W2896850724
- https://openalex.org/W2915270937
- https://openalex.org/W2950418175
- https://openalex.org/W2952852662
- https://openalex.org/W2975543744
- https://openalex.org/W2980248332
- https://openalex.org/W2980841692
- https://openalex.org/W3002558744
- https://openalex.org/W3003257820
- https://openalex.org/W3009790191
- https://openalex.org/W3011102432
- https://openalex.org/W3011286936
- https://openalex.org/W3103145119
- https://openalex.org/W3105516366
- https://openalex.org/W3138364969
- https://openalex.org/W3153770000
- https://openalex.org/W3180515730
- https://openalex.org/W3198792031
- https://openalex.org/W4292121915
- https://openalex.org/W4293792725
- https://openalex.org/W4303628483
- https://openalex.org/W4362458478
- https://openalex.org/W648226467
- https://openalex.org/W8963461