Stimulus-related astroglial calcium signals spread and amplify in seizure-suscpetible zebrafish

Abstract

Astrocytter spiller en avgjørende rolle i hjernens informasjonsbehandling og er strategisk plassert med mange forbindelser til synapser. Disse forbindelsene gjør det mulig for dem å modulere nevrale nettverksfunksjoner. Kalsiumsignalering fungerer som en mediator for interaksjonen mellom astrocytene og nevronene, der svingninger i kalsiumkonsentrasjonen koder for nevronaktiviteten og utløser ulike effekter på synapsene. Imidlertid er den romlige og tidsmessige dynamikken til dette komplekse signalet bare delvis forstått, noe som begrenser fremgangen i å avdekke astrocytenes rolle i hjernens funksjon og organismens atferd.

I epileptiske anfall viser astrocytene økt kalsiumkonsentrasjon og intercellulære kalsiumbølger. Denne observasjonen antyder en potensiell involvering av astrocytene i genereringen av anfall. Tidligere studier har vist sterke og langvarige reaksjoner på visuell lysstimulering i astrocyttcellekropper hos zebrafisk som er mottakelige for anfall. For å forstå opprinnelsen og funksjonelle implikasjonene av disse responsene, er det avgjørende å undersøke kalsiumdynamikken ikke bare i soma, men gjennom hele astrocytten.

I denne studien sammenlignet jeg kalsiumdynamikken som ble utløst av lys mellom friske zebrafisk og zebrafisk som er mottakelige for anfall, med mål om å forstå mekanismene bak endret kalsiumaktivitet. For å oppnå dette ble det utført utforskende dataanalyse på tofotonavbildningsdata som ble samlet inn fra larvale astrocytter hos zebrafisk. Resultatene avdekket at den økte aktiviteten i cellekroppene til zebrafiskene som var mottakelige for anfall, var knyttet til forsterkende sentripetale kalsiumbølger. Videre ble visuell informasjon kodet gjennom det romlige mønsteret av aktivitet i astrogliale celler. Dette forsterker ideen om at astrocyttens kalsiumdynamikk er et produkt av ikke-lineær prosessering av mange synaptiske signaler, og at reglene for denne beregningen er endret i tilstander relatert til anfall.

Teknikkene som ble brukt i denne studien, legger grunnlaget for fremtidige undersøkelser av interaksjoner mellom nevroner og glia på hele hjernens skala hos zebrafisk. Ved å bygge videre på denne forskningen kan man bidra til å dekode de funksjonelle effektene av astrocyttens kalsiumdynamikk. Å takle denne utfordringen vil ha dype implikasjoner for vår forståelse og behandling av nevrologiske sykdommer, samt for å avdekke hvordan astrocyttene samarbeider med nevronene for å generere atferd.

Astrocytes play a crucial role in brain information processing and are positioned strategically, with numerous connections to synapses. These connections allow them to modulate neural network function. Calcium signaling serves as the mediator for interactions between astrocytes and neurons, with fluctuations in calcium concentration encoding neuronal activity and triggering various effects on neurons. However, the spatiotemporal dynamics of this complex signal are only partially understood, hampering progress in unraveling the role of astrocytes in brain function and behavior.

In epileptic seizures, astrocytes display elevated calcium concentration and intercellular calcium waves. This observation suggests a potential involvement of astrocytes in seizure generation. Previous studies have showed strong and long-lasting responses to visual light stimulation in astrocyte cell bodies of seizure-susceptible zebrafish. To comprehend the origin and functional implications of these responses, it is crucial to examine calcium dynamics not only in the cell body, but throughout the entire astrocytic cell.

In this study, I compared the light-evoked calcium dynamics between healthy and seizure-susceptible zebrafish with the objective of understanding the mechanisms behind altered calcium activity. To achieve this, exploratory data analysis was conducted on two-photon imaging data obtained from larval zebrafish astrocytes. The results revealed that the increased activity in cell bodies of seizure-susceptible animals was associated with amplifying centripetal calcium waves. Furthermore, visual information was encoded through the spatial pattern of activity in astroglial cells. This solidifies the notion that astrocyte calcium dynamics is the product of nonlinear processing of many synaptic inputs, and that the rules of this computation are altered in seizure-related states.

The techniques employed in this study pave the way for future investigations of neuron-glia interactions on a whole-brain scale in zebrafish. Expanding upon this research could contribute to decoding the functional effects of astrocytic calcium dynamics. Successfully addressing this challenge will have profound implications for our understanding and treatment of neurological diseases, as well as for unraveling how astrocytes complement neurons in generating behavior.