Rodent and Human Neuronal Networks : Analysis of Functional Maturation, Synaptic Transmission, and Spontaneous Activity in Vitro
Teppola-Gürel, Heidi (2022)
Teppola-Gürel, Heidi
Tampere University
2022
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2022-04-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2346-2
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2346-2
Tiivistelmä
Hermosoluverkkojen kehittyminen on perustavanlaatuinen prosessi nisäkkäiden alkionaikaisissa ja syntymänjälkeisissä kehityksen vaiheissa. Tiedetään, että poikkeavuudet ja häiriöt tässä prosessissa johtavat hermostollisiin kehityshäiriöihin. Spontaani hermosoluverkon aktiivisuus eli verkon purskeaktiivisuus on tunnusomaista kehittyvien aivokuoren hermosoluverkkojen toiminnalliselle kypsymiselle sekä aistinvaraisessa aivokuoressa in vivo että aivokuorelta eristetyistä soluista muodostetussa kortikaalisessa soluviljelmässä in vitro. Kortikaalisen verkon purskeaktiivisuus syntyy samanaikaisesti hermosoluverkon rakenteen ja synaptisen viestinvälityksen muodostumisen kanssa. Synaptinen viestinvälitys siirtää tietoa hermosolusta toiseen. Sitä ohjaavat kiihdyttävät välittäjäaineet AMPA ja NMDA sekä estävä välittäjäaine GABA, kaikki omien spesifisten ionotrooppisten reseptoriensa kautta. Vielä ei täysin tiedetä, miten synaptinen viestinvälitys ionotrooppisten reseptorien kautta vaikuttaa kortikaalisen verkon purskeiden alkamiseen, etenemiseen ja päättymiseen vastasyntyneen rotan aivokuorelta eristetyissä hermosoluverkoissa in vitro, joten reseptorien vaikutusten parempi karakterisointi on erittäin tärkeää. Hermosoluverkon aktiivisuuden riippuvuutta synaptisesta viestinvälityksestä voidaan tutkia käyttämällä myös datavetoisia laskennallisia hermosoluverkkomalleja, joiden avulla voidaan perustella uusien biologisten hypoteesien ja kokeiden suunnittelua, luomista ja testaamista.
Tämän kokoelmaväitöskirjan tavoitteena on karakterisoida synaptisen viestinvälityksen roolia vastasyntyneen rotan aivokuoren hermosoluverkkojen spontaanissa purskeaktiivisuudessa in vitro ja lisätä kokeellisten tulosten hyödyntämistä datavetoisessa laskennallisessa mallinnuksessa in silico. Tässä väitöskirjassa kehitän rekisteröimäni datan analysointimenetelmän, joka tukee sekä neurobiologisiin kysymyksiin vastaamista, että keräämäni dataan perustuvien mallien sovittamista ja validointia kokeellisten tulosten toistamiseksi kvantitatiivisesti in silico-menetelmillä. Lisäksi yksi väitöskirjan tavoite on erilaistaa ihmisen neuroblastoomasoluja hermosolujen kaltaisiksi soluiksi ja soluverkoiksi.
Tässä väitöskirjassa karakterisoin synaptisten AMPA-, NMDA- ja GABAA-reseptorien osuutta vastasyntyneiden rottien kortikaalisten hermosoluverkkojen purskeaktiivisuuden alkamisessa, etenemisessä ja päättymisessä. Tutkin vaikutuksia rekisteröimällä sähköistä aktiivisuutta hermosoluverkon solujen ulkopuolelta monielektroditekniikalla ja samanaikaisesti manipuloimalla synaptisten reseptorien toimintaa farmakologisin keinoin kolme viikkoa kypsyneissä viljelmissä in vitro. Lisäksi analysoin eri farmakologisissa tilanteissa kortikaalisten verkkojen purskeista rekisteröityä monielektrodiaikasarjadataa usein eri tavoin, mukaan lukien tapa, joka tukee datavetoisen laskennallisen hermosoluverkkomallin sovittamista kokeellisten tulosten tuottamiseksi in silico. Lopuksi arvioin ihmisen neuroblastoomasolujen kykyä erilaistua fenotyypiltään hermosoluverkkojen kaltaisiksi estradiolin, kolesterolin, aivoista peräisin olevan neurotrofisen tekijän ja retinoiinihapon avulla. Arvioin näiden yhdisteiden vaikutukset verkon erilaistumiseen määrittämällä tumien ja synaptisen vesikkeleiden lukumäärää ja neuriittien kasvua 10 vuorokautta erilaistetuissa viljelmissä in vitro.
Väitöskirjan tulokset korostavat synaptisen viestinvälityksen merkitystä rotan kortikaalisen verkon purskeaktiivisuudessa. Tulokset osoittavat, että jokaisella synaptisella reseptorilla on erityinen vaikutus verkon aktiivisuuden dynamiikkaan. AMPA-reseptorit aloittavat ja osallistavat hermosolut nopeasti osaksi verkonlaajuisia purskeita, NMDA-reseptorit puolestaan ylläpitävät eteneviä purskeita. GABAA- reseptorit estävät AMPA-reseptorivälitteisten verkon purskeiden varhaista vaihetta sekä vaimentavat NMDA-reseptorivälitteisten purskeiden päättymisvaihetta. Tulokset osoittavat ainutlaatuisen AMPA- ja GABAA-reseptorivälitteisen vuorovaikutuksen nopeasti kiihdyttävien ja estävien reseptorien välillä. Vuorovaikutuksen puuttuessa verkon purskeet saavat alkunsa ja etenevät usein samaa reittiä pitkin. AMPA- ja GABAA-reseptorien läsnä ollessa purskeiden aktivointitapa ja etenemisreitit ovat monimuotoisempia. Väitöskirjassa esitetään ensimmäistä kertaa, miten vastasyntyneiden rottien aivokuoren hermosoluverkoista rekisteröityä monielektrodiaikasarjadataa voidaan hyödyntää matemaattisten verkkoaktiivisuusmallien tukena in silico. Väitöskirjan tulokset ihmisen soluilla viittaavat siihen, että neuroblastoomasolut voidaan morfologisesti erilaistaa fenotyypiltään hermosolujen kaltaisiksi. Yhdistelmäkäsittely sisältäen estradiolia, kolesterolia ja retinoiinihappoa edesauttaa neuriittien kasvua ja haarautumista, kykyä tuottaa synaptista vesikkelikierrätystä sekä hermosoluverkon muodostumista ihmisen soluviljelmissä.
Yhteenvetona totean, että tässä väitöskirjassa selvitettiin, miten synaptisen viestinvälityksen kolme pääreseptoria muodostivat yksilöllisesti verkon purskeaktiivisuuden ominaisuuksia, kuten purskeiden syntyä, etenemistä ja päättymistä rotan aivokuoresta eristetyissä hermosoluverkoissa. Lisäksi väitöskirjassa esitetty analyysi kokeellisesti rekisteröidyistä aikasarjadatoista edisti datavetoisen laskennallisen hermosoluverkkomallien kehittämistä, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää ymmärtämään solumekanismien ja verkkotoiminnan monimutkaista dynamiikkaa. Väitöskirjassa kehitetty erilaistamismenetelmä mahdollistaa ihmisen soluihin pohjautuvan hermosoluverkon jatkotutkimukset esimerkiksi monielektroditekniikalla.
Tämän kokoelmaväitöskirjan tavoitteena on karakterisoida synaptisen viestinvälityksen roolia vastasyntyneen rotan aivokuoren hermosoluverkkojen spontaanissa purskeaktiivisuudessa in vitro ja lisätä kokeellisten tulosten hyödyntämistä datavetoisessa laskennallisessa mallinnuksessa in silico. Tässä väitöskirjassa kehitän rekisteröimäni datan analysointimenetelmän, joka tukee sekä neurobiologisiin kysymyksiin vastaamista, että keräämäni dataan perustuvien mallien sovittamista ja validointia kokeellisten tulosten toistamiseksi kvantitatiivisesti in silico-menetelmillä. Lisäksi yksi väitöskirjan tavoite on erilaistaa ihmisen neuroblastoomasoluja hermosolujen kaltaisiksi soluiksi ja soluverkoiksi.
Tässä väitöskirjassa karakterisoin synaptisten AMPA-, NMDA- ja GABAA-reseptorien osuutta vastasyntyneiden rottien kortikaalisten hermosoluverkkojen purskeaktiivisuuden alkamisessa, etenemisessä ja päättymisessä. Tutkin vaikutuksia rekisteröimällä sähköistä aktiivisuutta hermosoluverkon solujen ulkopuolelta monielektroditekniikalla ja samanaikaisesti manipuloimalla synaptisten reseptorien toimintaa farmakologisin keinoin kolme viikkoa kypsyneissä viljelmissä in vitro. Lisäksi analysoin eri farmakologisissa tilanteissa kortikaalisten verkkojen purskeista rekisteröityä monielektrodiaikasarjadataa usein eri tavoin, mukaan lukien tapa, joka tukee datavetoisen laskennallisen hermosoluverkkomallin sovittamista kokeellisten tulosten tuottamiseksi in silico. Lopuksi arvioin ihmisen neuroblastoomasolujen kykyä erilaistua fenotyypiltään hermosoluverkkojen kaltaisiksi estradiolin, kolesterolin, aivoista peräisin olevan neurotrofisen tekijän ja retinoiinihapon avulla. Arvioin näiden yhdisteiden vaikutukset verkon erilaistumiseen määrittämällä tumien ja synaptisen vesikkeleiden lukumäärää ja neuriittien kasvua 10 vuorokautta erilaistetuissa viljelmissä in vitro.
Väitöskirjan tulokset korostavat synaptisen viestinvälityksen merkitystä rotan kortikaalisen verkon purskeaktiivisuudessa. Tulokset osoittavat, että jokaisella synaptisella reseptorilla on erityinen vaikutus verkon aktiivisuuden dynamiikkaan. AMPA-reseptorit aloittavat ja osallistavat hermosolut nopeasti osaksi verkonlaajuisia purskeita, NMDA-reseptorit puolestaan ylläpitävät eteneviä purskeita. GABAA- reseptorit estävät AMPA-reseptorivälitteisten verkon purskeiden varhaista vaihetta sekä vaimentavat NMDA-reseptorivälitteisten purskeiden päättymisvaihetta. Tulokset osoittavat ainutlaatuisen AMPA- ja GABAA-reseptorivälitteisen vuorovaikutuksen nopeasti kiihdyttävien ja estävien reseptorien välillä. Vuorovaikutuksen puuttuessa verkon purskeet saavat alkunsa ja etenevät usein samaa reittiä pitkin. AMPA- ja GABAA-reseptorien läsnä ollessa purskeiden aktivointitapa ja etenemisreitit ovat monimuotoisempia. Väitöskirjassa esitetään ensimmäistä kertaa, miten vastasyntyneiden rottien aivokuoren hermosoluverkoista rekisteröityä monielektrodiaikasarjadataa voidaan hyödyntää matemaattisten verkkoaktiivisuusmallien tukena in silico. Väitöskirjan tulokset ihmisen soluilla viittaavat siihen, että neuroblastoomasolut voidaan morfologisesti erilaistaa fenotyypiltään hermosolujen kaltaisiksi. Yhdistelmäkäsittely sisältäen estradiolia, kolesterolia ja retinoiinihappoa edesauttaa neuriittien kasvua ja haarautumista, kykyä tuottaa synaptista vesikkelikierrätystä sekä hermosoluverkon muodostumista ihmisen soluviljelmissä.
Yhteenvetona totean, että tässä väitöskirjassa selvitettiin, miten synaptisen viestinvälityksen kolme pääreseptoria muodostivat yksilöllisesti verkon purskeaktiivisuuden ominaisuuksia, kuten purskeiden syntyä, etenemistä ja päättymistä rotan aivokuoresta eristetyissä hermosoluverkoissa. Lisäksi väitöskirjassa esitetty analyysi kokeellisesti rekisteröidyistä aikasarjadatoista edisti datavetoisen laskennallisen hermosoluverkkomallien kehittämistä, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää ymmärtämään solumekanismien ja verkkotoiminnan monimutkaista dynamiikkaa. Väitöskirjassa kehitetty erilaistamismenetelmä mahdollistaa ihmisen soluihin pohjautuvan hermosoluverkon jatkotutkimukset esimerkiksi monielektroditekniikalla.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4891]