Formation and function of neural circuitry in the olfactory bulb of mice with reduced afferent spontaneous activity

Nei sistemi sensoriali, i neuroni periferici proiettano i loro assoni in specifici loci del cervello. La segregazione spaziale delle afferenze sensoriali provvede a creare mappe topografiche che definiscono la qualità e la localizzazione di complessi stimoli sensoriali. L’attività elettrica gioca un ruolo chiave nella formazione di specifici contatti sinaptici tra i neuroni, sebbene resti ancora da definire il tipo di attività richiesta. In particolare il ruolo dell’attività elettrica spontanea nell’organizzazione topografica del sistema olfattivo, non è noto. Per rispondere a questa domanda abbiamo studiato il ruolo dell’attività elettrica spontanea nella formazione e nella funzione dei circuiti neurali nel bulbo olfattivo. Per raggiungere questo obiettivo abbiamo utilizzato una linea di topi geneticamente modificati, nei quali l’attività afferente spontanea è ridotta a causa della sovra-espressione di un canale potassio inward rectifier (Kir2.1), in tutti i neuroni olfattivi sensoriali (i topi Kir2.1). Abbiamo analizzato la formazione della mappa sensoriale, in particolare se la convergenza dei neuroni sensoriali esprimenti il medesimo recettore olfattivo avveniva correttamente nei topi Kir2.1 La convergenza dei neuroni sensoriali in specifici loci del bulbo olfattivo, che porta alla formazione di glomeruli omogenei, cioé glomeruli formati esclusivamente da assoni esprimenti lo stesso recettore olfattivo, è una caratteristica critica della mappa sensoriale. Infatti i glomeruli definiscono le unità funzionali o colonne odorose del sistema. Abbiamo trovato che in assenza di attività spontanea, gli assoni dei neuroni sensoriali non convergono a formare un unico glomerulo ma proiettano in molti siti dando luogo a ulteriori glomeruli. Questi addizionali glomeruli sono caratterizzati da una organizzazione eterogenea, risultano cioè formati da assoni di neuroni sensoriali esprimenti recettori olfattivi diversi. Per capire se l’attività afferente spontanea potesse avere un ruolo anche sulle cellule postsinaptiche del bulbo olfattivo, abbiamo analizzato le cellule mitrali, i principali neuroni di output, e le cellule dei granuli, i principali neuroni inibitori, del bulbo olfattivo. Analizzando lo sviluppo morfologico del dendrite apicale delle cellule mitrali non abbiamo trovato alcuna differenza significativa nei topi Kir2.1 rispetto ai controlli. Per quanto concerne le cellule dei granuli, studiando la neurogenesi e la migrazione delle cellule dei granuli di nuova generazione, non abbiamo riscontrato differenze significative nei topi Kir2.1 rispetto ai controlli. Tuttavia l’analisi morfologica dell’arborizzazione dendritica delle cellule dei granuli ha messo in evidenza una ridotta densità di filopodi/spine nei topi Kir2.1 rispetto ai controlli. Per analizzare le conseguenze funzionali di queste alterazioni anatomiche abbiamo eseguito specifici test comportamentali. I dati che abbiamo ottenuto indicano chiaramente che i topi Kir2.1 non erano in grado di discriminare tra due odori che attivano glomeruli che hanno distribuzione spaziale molto simile, quali gli enantiomeri. Tuttavia i topi Kir2.1 mantenevano la capacità di distinguere odori che attivano glomeruli posti in aree molto diverse del bulbo, quali l’acido 2-metilbutirrico e l’acido ciclobutancarbossilico (2Mb e CB). Dato l’elevato grado di plasticità del sistema olfattivo, ci siamo chiesti se la manipolazione dell’attività elettrica in età adulta poteva influenzare la mappa sensoriale. Sfruttando la possibilità di indurre l’espressione del gene Kir2.1 in momenti diversi della vita dell’animale, abbiamo fatto esprimere il gene Kir2.1 solo in animali adulti per 4 settimane. Abbiamo trovato che l’espressione del gene Kir2.1 in animali adulti alterava l’organizzazione della mappa sensoriale, cioé la specifica convergenza degli assoni dei neuroni sensoriali nel bulbo olfattivo. I dati ottenuti indicano che l’assenza di attività spontanea nell’età adulta causa una “regressione“ nell’organizzazione dei glomeruli. Abbiamo infatti trovato un elevato numero di glomeruli eterogenei che coesistevano coi principali glomeruli omogenei. I nostri dati suggeriscono che l’attività elettrica spontanea è richiesta per lo sviluppo e il mantenimento della mappa sensoriale. Inoltre abbiamo trovato che le alterazioni morfologiche della circuiteria neuronale nel bulbo olfattivo contribuiscono ad alterare il comportamento olfattivo.