A theory of “predictive homeostasis” views the function of all neurons as prediction, and one component of this theory is that of “prediction error.” It is well established that sensory systems adapt so that neuronal output maintains sensitivity to sensory input, in accord with information theory. Predictive homeostasis applies the same principle at the cellular level, where the challenge is to maintain membrane excitability at the optimal homeostatic level so that spike generation is maximally sensitive to small gradations in synaptic drive. Here we consider a neuron to be an observer, and we interpret spikes from the neuron’s perspective. Since both EPSC amplitude and its expected value are analog variables, a neuron’s digital spike output will convey maximum information (1 bit) about an EPSC if the probability that the EPSC causes a spike is 0.5 (given the expectation). To maintain this homeostasis, a neuron has many different types of ion channels. Negative feedback is a hallmark of homeostatic mechanisms, as exemplified by depolarization-activated potassium channels. In contrast, T-type calcium channels exhibit positive feedback that appears at odds with the theory. In thalamocortical neurons of lateral geniculate nucleus (LGN), T-type channels are capable of causing bursts of spikes with an all-or-none character in response to excitation from a hyperpolarized potential. This “burst mode” would partially uncouple visual input from spike output and reduce the information spikes convey about gradations in visual input. However, past observations of T-type-driven bursts may have resulted from unnaturally high membrane excitability. Here we formulate and test the hypothesis that T-type calcium channels do not cause bursts but instead restore homeostatic excitability during naturally occurring periods of hyperpolarization. By mimicking patterns of synaptic conductance that occur during vision, we found that T-type channels in rat brain slices did not cause bursts, but rather enabled retinogeniculate excitation to cause spikes despite sustained hyperpolarization. Our results suggest that T-type channels help to maintain a single optimal mode of transmission rather than creating a second mode. In addition, our results provide evidence for the general theory, which seeks to predict the properties of a neuron’s ion channels and synapses given knowledge of natural patterns of synaptic input.
예측정 항상성 이론은 모든 신경세포의 기능을 예측이라고 본다. 감각기관이 자신의 감수성을 유지하기 위하여 감각신호에 빠르게 적응한다는 것은 잘 알려져 있다. 본 연구의 예측적 항상성 이론은 동일한 기작을 세포수준에서 적용하여 신경세포가 넓은 범위의 감각신호에 대응하여 자신의 출력능력을 유지할 수 있다고 설명한다. 특히, 본 연구에서는 신경세포를 관찰자로 보고 신경세포의 스파이크 출력을 신경세포의 관점에서 해석하려고 하였다. 이러한 관점에서 단일신경세포의 스파이크 출력은 감각신호 입력에 대한 출력 확률을0.5로 유지할 때 신경세포의 정보량을 최대화 할 수 있다는 것을 보여준다. 신경세포의 스파이크 출력이 시냅스 입력에 대해 감수성을 유지하기 위해서는 세포막의 흥분성을 조절하기 위한 여러가지 항상성기전을 필요로 한다. 탈분극에 의해 활성화되는 칼륨이온채널이 음성피드백과 억제를 통해 항상성을 촉진한다는 사실은 잘 알려져 있지만, 본 연구에서는 T-type 칼슘이온채널이 양성피드백과 흥분을 통해서 또한 항상성을 촉진할 수 있다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 쥐의 외측슬상핵 뇌절편의 시상피질 신경세포를 다이나믹 패치클램프 기법을 이용하여 시각적으로 유도된 자연적인 과분극을 흉내 내어 측정하였다. 과분극기간동안의 T-type 칼슘이온채널의 불비활성화는 망막슬상 시냅스의 시상피질 신경세포에 대한 흥분능력을 200 ms 에서 400 ms 사이에 스파이크를 유도할 만큼 회복시켰다. T-type 이온채널은 자연적이지 않은 상태에서 주로 발견되는 실무율에 의거한 버스트 스파이크의 생성을 촉진하기보다는 두 개의 입력에 대해 하나의 출력을 만들어내는 세포막의 항상적 흥분성을 유지하였다. 따라서 본 연구결과는 T-type 칼슘이온채널의 기능이 예측적 항상성 이론에 근거한 효율적인 정보처리 가설에 잘 부합될 수 있다는 결과를 보여주며, 자연적인 시냅스 입력패턴에 대한 정보에 따라 이온채널의 기능을 예측하고자 하는 일반이론을 지지한다.
