It is customary to distinguish between sensory neurons and motor neurons, and the distinction between the two is clear and useful when considering function within an intact nervous system. Input of sensory neurons is closely related with the stimuli from the environment. On the other hand, output of motor neurons is related with behavior. The whole nervous system uses information from sensory world to select output to generate behaviors. For achieving this general goal of nervous system, sensory neurons should discriminate new information from sensory stimuli, while motor neurons should select output for behavior. However, there is no known difference at the cellular or molecular levels.
We tested a hypothesis that there are cellular level differences between sensory and motor neurons. Efficient coding theory (Barlow, 1961) suggested that, a sensory neuron should predict its input and maintain homeostatic level of activity, so that neuron can only signal new information (prediction error). A lot of ex-perimental evidences support that this homeostatic mechanism is achieved in many sensory neurons by opening of specific kinds of ion channels and canceling redundant input. On the other hand, it is well known that some motor neurons tend to generate patterns by their intrinsic property. Our hypothesis is that sensory neurons maintain homeostatic excitability and decorrelate patterns, whereas motor neurons generate patterns.
To investigate the sensory and motor difference, we tested our hypothesis in thalamocortical (TC) re-lay neurons, and particularly the function of low voltage activated t-type calcium channels. We recorded neurons in rat brain slices of lateral geniculate nucleus (LGN, sensory nucleus), and ventrolateral nucleus (VL, motor nucleus) using whole cell patch clamp technique.
In TC neurons of both LGN and VL, depolarization from low voltage (-80 and -90 mV) activated T-type calcium current and generated a low threshold spike (LTS). In VL neurons, LTS tends to generate 1 or more sodium spikes in most of cases, so the spike probability was near 1. LGN neurons had spike probability near 0.5 when there is LTS. This intermediate value of spike probability will cancel pattern in its synaptic input, while spike probability near 1 in VL neurons amplifies input. Also, LGN neurons maintained same ho-meostatic level of excitability in normal (-65 mV) and hyperpolarized (-80 mV) state. In addition, we checked that there is no significant change over time in the LTS during whole cell patch clamp experiment, which pro-vided more reliability to our result.
These results support our hypothesis that sensory neurons maintain their excitability and cancel tem-poral patterns in their synaptic inputs, whereas neurons in motor systems generate patterns. In thalamus, T-type channels are important both for canceling patterns in sensory neurons and for generating patterns in motor neurons.
Keywords: Electrophysiology, Thalamus, Sensory neuron, Motor neuron, Prediction
신경계는 흔히 감각(sensory)과 운동(motor) 체계로 나누어 진다. 감각 신경은 개체의 주변 환경에서 오는 자극을 받기 때문에 주변 환경에 대한 정보를 가지고 있고, 운동 신경은 개체의 행동에 대한 정보를 가지고 있다. 전체 신경계는 감각신경에서 받아들인 정보를 이용해 행동을 발생시키는 출력을 결정한다. 따라서, 감각 뉴런은 감각 자극에서 새로운 정보를 구분해야 하고, 운동 뉴런은 출력을 결정해야 한다. 그러나 감각 신경과 운동 신경의 구분은 전체 신경계 네트워크에서의 위치에서만 구분될 뿐, 감각 신경과 운동 신경의 세포 및 분자 수준의 구분은 명확하지 않다. 우리는 감각 뉴런과 운동 뉴런이 세포적 수준에서 차이를 보인다고 제안하였다.
환경에서 오는 감각 신호는 매우 넓은 범위의 값을 가질 수 있는 반면에 감각 신경은 상대적으로 적은 범위의 출력을 가진다. Barlow는, 감각신경이 정보를 효율적으로 전달하기 위해 흥분성(excitability)을 항상성 있게 유지한다고 제안하였다. 흥분성을 항상성 있게 유지하기 위해서 감각 뉴런은 자신의 voltage regulated ion channel 들을 이용하여 시냅스에서의 입력을 예측하여 상쇄시키고, prediction error (예측 오류)만을 출력한다. 따라서 감각 뉴런은 자신의 입력 신호의 시간적 패턴을 없애는 역할을 한다. 반면에 운동 뉴런은 패턴(pattern)을 발생시키는 것과 밀접한 관련이 있다. Central pattern generator 는 패턴 발생의 대표적인 예로, 외부의 패턴화된 입력 없이도 스스로 출력 패턴을 만들어 낸다. 또한 몇몇 운동 뉴런이 세포막 전위의 쌍안정성(bistability)를 가지는 것은 잘 알려져 있다. 쌍안정성은 두 개의 다른 전위(down state, up state) 에서 안정하고, 그 두 전위의 사이에서는 스스로 down state나 up state로 적응하는 것을 말한다. 막 전위의 쌍안정성은 세포가 어떤 자극을 받았을 때 뉴런의 excitability도 두 가지로 서로 다르게 안정된다는 것을 의미한다.
가설을 확인하기 위해 시상의 TC(thalamocortical) 뉴런에서 실험을 진행하였다. 시상은 대부분 균일한 성질을 가지는 TC 뉴런으로 구성되어 있고, 각 시상 핵의 TC 뉴런은 다양한 감각과 운동 신경과 연결되어 있으므로 위의 가설을 확인하기에 이상적이다. 우리는 whole cell patch clamp technique 을 이용하여 rat brain slice 에서 lateral geniculate nucleus(LGN)과 ventrolateral nucleus(VL)의 TC 뉴런을 측정하였다. 우리는 특히 TC 뉴런에서 높게 발현되는 low voltage activated t-type calcium channel의 역할에 주목하였다.
LGN과 VL의 TC 뉴런은 모두 낮은 막 전위에서 탈분극 될 때 t-type calcium channel이 활성화되면서 low threshold spike (LTS)를 발생시켰다. VL 뉴런에서 LTS는 거의 모든 경우 1개 이상의 spike를 발생시켰고, 따라서 spike probability가 1에 가까웠다. 반면에 LGN 뉴런은 LTS가 있을 때 0.5에 가까운 spike probability를 보였다. 따라서 LGN 뉴런의 출력은 시냅스로 입력되는 신호보다 더 무작위에 가깝고, 패턴을 상쇄시킬 것이다. 반면에 spike probability가 1에 가까운 VL 뉴런은 입력신호를 증폭시킬 것이다. 또한, LGN 뉴런은 보통의 막 전위 (-65 mV)와 과분극된 막 전위 (-80 mV)에서 흥분성을 항상성 있게 유지하는 것이 관찰되었다. 또한, 우리는 LTS가 whole cell patch clamp로 실험할 때 시간에 따라 유의미한 변화를 보이지 않는다는 것을 확인함으로써, 위의 실험 결과에 whole cell patch clamp를 이용하는 것이 영향을 미치지 않았다는 것을 확인하였다.
따라서, 우리는 감각 뉴런이 흥분성을 유지하고 입력의 시간적 패턴을 상쇄시키는 반면에 운동 뉴런은 패턴을 발생시킨다는 결과를 얻었다. 시상에서 T-type 채널은 감각 뉴런에서 패턴을 상쇄시키는 것과 운동 뉴런에서 패턴을 발생시키는 것에 중요한 역할을 한다.
Keywords: 전기생리학, 시상, 감각 핵, 운동 핵, 예측
