Biophysical conditions triggering depolarization block in excitatory neurons.

Abstract

Optogenetics is an increasingly popular neuronal stimulation technique used for study- ing neural circuits and controlling brain activity. However, when applied without suffi- cient knowledge, it can cause unintentional silencing of the targeted neurons by inducing a state termed depolarization block (DpB), in which neurons cease to fire action poten- tials. The susceptibility to silencing is not consistent among neurons, and the relationship between their biophysical properties and their vulnerability to DpB remains poorly un- derstood. In this thesis, we investigate how the densities of voltage-gated sodium (Nav) and potassium (Kv) channels, which are known to govern DpB dynamics, influence the neuron's ability to resist this phenomenon. We also examine the impact of neuronal size on DpB susceptibility. Using a computational model of a layer V pyramidal neuron, which we simplify to a single compartment to represent the behavior of a generic excita- tory neuron, we introduce an automatic classifier consistently identifying DpB through voltage trace analysis. This allows us to systematically assess the influence of varying Nav or Kv channel densities in the neuron's membrane. We discover that increasing these densities enhances the neuron's resistance to DpB. Contrary to previous studies, neu- ronal size...

Optogenetika je stále oblíbenější technikou stimulace neuronů používanou ke studiu nervových obvodů a k řízení mozkové aktivity. Nicméně, pokud je aplikována bez dostatečných znalostí, může neúmyslně umlčet aktivitu stimulovaných neuronů tím, že v nich spustí de- polarizační blok (DpB) - stav, při kterém neurony ztrácí schopnost vést vzruchy, a proto i komunikovat. Mezi neurony se náchylnost k umlčení liší, a navíc je stále málo zmapo- vané, jak jejich biofyzikální vlastnosti ovlivňují citlivost ke spuštění DpB. V této práci zkoumáme, jak hustota napěťově řízených sodíkových (Nav) a draselných (Kv) kanálů, stojících za mechanismem způsobujícím DpB, ovlivňuje schopnost neuronu tomuto jevu odolávat. Dále zkoumáme i vliv velikosti neuronu. Pomocí simulace výpočetního mod- elu pyramidového neuronu páté vrstvy, který jsme zredukovali pouze na tělo neuronu, reprezentujeme chování obecného excitačního neuronu. Vytvoříme automatický klasifiká- tor, identifikující DpB ze simulovaných napěťových stop, který nám umožní systematicky vyhodnotit vliv specifických kombinací hustot Nav a Kv kanálů v membráně neuronu. Zjistili jsme, že zvýšení těchto hustot zvyšuje odolnost neuronu vůči DpB. Na rozdíl od předchozích studií zjišťujeme, že náchylnost k světlem indukovanému DpB není ovlivněna velikostí neuronu. Naše analýza...