Complex Events Initiated by Individual Spikes in the Human Cerebral Cortex

Abstract

Synaptic interactions between neurons of the human cerebral cortex were not directly studied to date. We recorded the first dataset, to our knowledge, on the synaptic effect of identified human pyramidal cells on various types of postsynaptic neurons and reveal complex events triggered by individual action potentials in the human neocortical network. Brain slices were prepared from nonpathological samples of cortex that had to be removed for the surgical treatment of brain areas beneath association cortices of 58 patients aged 18 to 73 y. Simultaneous triple and quadruple whole-cell patch clamp recordings were performed testing mono- and polysynaptic potentials in target neurons following a single action potential fired by layer 2/3 pyramidal cells, and the temporal structure of events and underlying mechanisms were analyzed. In addition to monosynaptic postsynaptic potentials, individual action potentials in presynaptic pyramidal cells initiated long-lasting (37 ± 17 ms) sequences of events in the network lasting an order of magnitude longer than detected previously in other species. These event series were composed of specifically alternating glutamatergic and GABAergic postsynaptic potentials and required selective spike-to-spike coupling from pyramidal cells to GABAergic interneurons producing concomitant inhibitory as well as excitatory feed-forward action of GABA. Single action potentials of human neurons are sufficient to recruit Hebbian-like neuronal assemblies that are proposed to participate in cognitive processes.

What single-cell stimulation has told us about neural coding

“…Similarly, we do not know why some temporal patterns are more effective than others. It is also unclear how the brain can operate so robustly, when even the smallest perturbation-a single spike-leads to a cascade of activity, as shown in rodents [90] and in human brain tissue [96]. Finally, the functional implications of single neuron effects remain unknown.…”

SANTIAGO - A Real-Time Biological Neural Network Environment for Generative Music Creation

“…In addition to rhythm generation, spike events can trigger complex responses in neural systems [13], and modulate dynamical behavior. In this spirit, we also use biological neural networks to modify the pitch, spectral content, duration and intensity of the generated events.…”

Agykérgi szinapszisok összehasonlító vizsgálata és a szinapszisszám változása posztpartum depresszióban

“…Ezzel ellentétben, az emberi agykéregben ugyanezen szinapszisok jóval hatékonyabbak is lehetnek: egy piramissejt egyetlen akciós potenciálja képes lehet a környező gyorsan tüzelő interneuronokat nyugalmi membránpotenciáljukról küszöb fölé depolarizálni és akciós potenciálba vinni (Molnár et al, 2008). A hatékony serkentés hatására poliszinaptikus hálózatok aktiválódnak, amelyek a Hebb-féle hálózatok alapjául szolgálhatnak (Hebb, 1949;Molnár et al, 2008).…”

“…Kutatócsoportunk a közelmúltban kimutatta, hogy a szinaptikus kapcsolatok rendkívül hatékonyan működhetnek az emberi agykéregben: egy piramissejt egyetlen akciós potenciállal képes lehet egyes interneuronokat nyugalmi membránpotenciáljukról küszöb fölé depolarizálni és akciós potenciálba vinni, míg rágcsálók esetében ugyanezen sejtek csupán küszöb alatti depolarizációt érnek el (Molnár et al, 2008). Disszertációm első fele az agykérgi szinapszisok fajok között megfigyelt különbségét vizsgálja fény-és elektronmikroszkópos technikákkal.…”

“…Eredményeink részletes választ adnak arra a kérdésre, hogy milyen mechanizmuson keresztül alakulnak ki az emberi agykéregre jellemző egy sejt aktivitása által kiváltott eseménysorozatok (Molnár et al, 2008;Komlósi et al, 2012;Szegedi et al, 2016), melyek a Hebb-féle neuronhálózatok kialakításában kulcsszerepet játszhatnak. A mechanizmus mozgatórugója a piramissejtek és az egyes posztszinaptikus interneuronok között kialakuló hatékony kapcsolatok, melyek az emberi agykéreg funkcionális felépítésére jellemző csomópontok (hub) kialakításáért és fenntartásáért lehetnek felelősek (Hagmann et al, 2008).…”