Одной из определяющих характеристик головного мозга млекопитающих является разнообразие нейронов¹. Для данного региона сохраняется субструктура, слои или даже типы клеток, изменчивость морфологии нейронов и коммуникабельности^2-5. Хотя хорошо известно, что такие клеточные свойства существенно варьируют в зависимости от типа нейрона, существенного биофизического разнообразия нейронов, некоторые морфологические классы обычно усредняются и игнорируются.

Нейроны обнаруживают широкий набор биофизических свойств, которые сильно воздействуют на вычисления, которые они осуществляют. Даже внутри клеточных типов, задокументированы разнообразие морфологии⁸ и экспрессии молекулярных маркеров¹ и ионных каналов⁹, но отражает ли такая изменчивость необходимость биологических шумов¹⁰ или вообще функциональной и динамической системы для регуляции возбудимости на клеточном¹¹ или даже сетевом уровне, остается неясным. Гиперполяризацией активированный ток (I_h; также наблюдаемый как sag потенциал) является прирожденным биофизическим свойством, которое, как известно, влияет на функцию системы ввода-вывода^12-17 большинства принципиальных типов клеток¹⁸. В обонятельных луковицах широкая амплитуда распределения I_h-обусловленного sag потенциала, записанного в популяции митральных клеток, как было установлено, отражает функциональное разнообразие их вход-выход реакций на стимулы in vivo⁶.

Чтобы исследовать непосредственно отражается ли межклеточная вариабельность в мембранном потенциале sag между функциональными ансамблями митральных клеток, мы использовали преимущества того факта, что в некоторых регионах головного мозга локальная архитектура облегчает идентификацию функционально дискретных сетей нейронов¹⁹. Это особенно верно для обонятельных луковиц, где гломерулы действуют как информационные ступицы (hubs), которые воспринимают сигналы от уникальной, гомогенной популяции сенсорных афферентных нейронов²⁰, которые интегрируются с помощью сети в несколько сотен взаимосвязанных локальных промежуточных нейронов и принципиальных митральных и tufted клеток. Т.о., на срезах индивидуальные митральные клетки могут быть точно связаны с функциональными петлями (circuit, в которых ни оперируют in vivo^21,22, это позволяет нам исследовать, отражает ли их врожденное разнообразие возникающие свойства функциональной организации обонятельных луковиц (Fig. 1A).

У мышей дикого типа митральные клетки могут обладать гиперполяризацией, вызванной отражающим (rebound) потенциалом и током, демонстрирующими I_h-обусловленный sag потенциал, недавно описанный у крыс in vitro и in vivo⁶ (Supplementary Fig. 1). Распределение sag potential amplitude (SPA), записанное в популяции митральных клеток у мышей подобно унимодальному и (P , 0.05) и широкому (min 5 210.4 mV, max 5 30.65 mV, median 53 mV, mean 53.43 6 5.8 mV, n 5 105 cells, n 539 animals; Fig. 1B and Supplementary Fig. 1). Чтобы исследовать возможность, что разнообразие такой популяции может отражать различия между локальными сетями митральных клеток (Fig. 1A), мы осуществляли одновременные записи с целых клеток sag с пар клеток, принадлежащих к совершенно разным (Fig. 1C, a) или к одному и тому же гломерулярному ансамблю (Fig. 1C, b). Среднее SPA, обнаруженное в этих двух сценариях записи, не достоверно отличались (межгломерулярные пары, 3.3 6 6.7 mV, n 5 52 cells против внутригломерулярных пар, 2.45 6 3.72 mV, n 5 28 cells (P 5 0.41); Fig. 1D). Для каждой записываемой пары мы определяли абсолютные различия в SPA (Supplementary Fig. 2) и осуществляли множественные парные сравнения, при этом SPA различия между каждой клеткой и всеми др. клетками внутри одной и той же группы-исключя их одновременно записываемого 'партнера'-было подсчитано ('pseudo pairs', Fig. 1E). Для межгломерулярных пар митральных клеток различие в распрделении SPA между записанными и псевдо парами оказаличь сходными (recorded: min 5 0.03 mV, max 5 21.06 mV, median 5 3.57 mV, Q1 5 1.87 mV, Q3 5 5.35 mV, n 5 26 pairs, против pseudo pairs: min 5 0.01 mV, max 5 41.05 mV, median 5 4.435 mV, Q1 5 1.78 mV, Q3 5 9.46 mV, n 5 1300 (P 5 0.16); Fig. 1E, F). Это наблюдалось и в случае сравнения межгломерулятрных записанных пар и псевдо пар, экстрагированных из всего набора наших данных (n 5 105 cells, 5,460 pseudo pairs; Supplementary Fig. 2).

Напротив, sag потенциал и амплитуда I_h-тока записанные одновременно с митральных клеток, принадлежащих к одной и той же гломерулярной сети, были действительно неоличимы (Supplementary Fig. 2). Т.о., различия в SPA, записанные с внутригломерулярных пар были достоверно меньше, чем определенные для внутригломерулярных псевдо пар (recorded SPA difference for intra-glomerular pairs: min 5 0 mV, max 5 3.59 mV, median 5 1.22 mV, Q1 5 0.31, Q3 5 2.1 mV, n 5 14 pairs, в противовес intra-glomerular pseudo pairs: min 5 0 mV, max 5 12.75 mV, median 5 4.23 mV, Q1 5 1.99, Q3 5 6.41 mV, n 5 364 pairs (P 5 0.00002); Fig. 1E, F and Sup plementary Fig. 2), межгломерулярных записанных пар (P 5 0.024; Fig. 1F, G) и пседо пар, экстрагированных из всех клетокs (n 5 105 cells; P 5 0.00001; Fig. 1F and Supplementary Fig. 2). Широкий спектр амплитуд sag и I_h-токов, записанных в луковице , следовательно, отражает различия между индивидуальными гломерулярными circuits, в которых присутствуют гомотипические особенности локальной сети митральных клеток (Fig. 1G).

Здесь мы показали, что амплитуда гиперполяризацией вызываемого sag мембранного потенциала, записанного в митральных клетках обонятельных луковиц, обнаруживает гомотипические свойства локальных сетей и участвует в преобразовании сенсорной информации. Одновременные записи с пар клеток показывают, что величина гиперполяризацией вызываемого sag потенциала и тока (I_h)⁶ стереотипичны для митральных клеток, относящихся к тому же самому гломерулярному circuit. Это подтверждается с помощью мозаичного, базирующегося на гломерулах паттерна экспрессии HCN2 (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel 2) субъединицы I_h канала. Более того, внутригломерулярные различия как в мембранном потенциале sag, так и HCN2 белке снижаются, когда сенсорный входящий сигнал в гломерулы генетически или глобально изменен так, что только один тип обонятельного рецептора универсально экспрессируется⁷. Популяционное разнообразие в этом прирожденном свойстве , следовательно, отражает дифференциальную экспрессию между локальными сетями митральных клеток, преобразующих разнообразную связанную с обонянием информацию.