Spatio-temporal structure of spontaneous slow-wave oscillations and identification of up and down states in simultaneous intra- and extracellular recordings in vivo

Abstract

La oscilación lenta, registrada durante la etapa de ondas lentas del sueño y bajo anestesia, constituye un acontecimiento espontáneo estable y sincrónico de la red cortical durante el cual las neuronas de la corteza cerebral alternan de manera coherente entre intervalos de ausencia de actividad (estados hiperpolarizados o Down states) e intervalos donde suelen producirse descargas de potenciales de acción (estados despolarizados o Up states). La presente Tesis Doctoral está motivada por el interés de estudiar la estructura espacio-temporal de la onda lenta espontánea presente en la corteza somato-sensorial de la rata anestesiada y también en el cómo y en qué medida se propaga la actividad por la red cortical. Además del estudio dinámica de la red cortical a través de su actividad oscilatoria lenta emergente, otros objetivos específicos son: (1) estudiar el comportamiento estereotípico de las transiciones espontáneas entre los intervalos de Up y Down presentes en la corteza somato-sensorial de ratas anestesiadas; (2) desarrollar herramientas analíticas adecuadas que faciliten el estudio de la propagación espacio-temporal de las ondas de actividad, tanto a escala micro como mesoscópica, durante la etapa de ondas lentas. Se presentan: a) la definición y la implementación de una metodología que permite detectar las oscilaciones lentas en registros intracelulares, y b) un segundo procedimiento analítico para analizar registros extracelulares múltiples y para medir su correlación, y, finalmente para analizar las propiedades de propagación de esta actividad cortical. Dichas metodologías analíticas se desarrollaron empleando los datos procedentes de registros intra- y extracelulares in vivo simultáneos, y que presentan estados de activación neuronal (Up states) que se alternan con estados silentes (Down states). El método descrito en esta tesis, denominado MAUDS (de acuerdo a las iniciales del inglés Moving Averages for Up and Down Separation) es automático y sencillo de usar, capaz de identificar y separar de forma fiable los dos estados de potencial de membrana alternantes, característicos del sueño de ondas lentas y bajo determinada anestesia incluso en situaciones en las que otros métodos fallan debido a artefactos o interferencias. El método ha sido diseñado para que pueda ser usado tanto off- como online, y permite que se pueda incluir eventos desencadenantes en función de la inicialización o finalización de los estados Up. También permite obtener información inmediata sobre las estadísticas de las transiciones Up a Down. Se describe la metodología experimental para realizar registros intra- y extracelulares in vivo y simultáneos utilizando una matriz multi-electrodo, y el tratamiento analítico al que se ha sometido los datos electrofisiológicos registrados para estudiar la estructura espacio-temporal de la oscilación lenta en una pequeña porción de tejido cortical. Los resultados de este análisis mostraron una considerable variabilidad en la mayoría de los registros con respecto a la estructura espacio-temporal de las ondas de actividad, tanto en cuanto a origen como en cuanto a dirección para todas las muestras de animales incluidos en el estudio. Se ha podido determinar una dirección preferente de propagación de la actividad durante los períodos de registro.