ion channels and properties of large neuronal networks: a ... · destinée au dépôt et à la...

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HAL Id: hal-01925829 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01925829 Submitted on 17 Nov 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Ion channels and properties of large neuronal networks: a computational study of re.nal waves during development Bruno Cessac, D Karvouniari, Lionel Gil, Olivier Marre, Serge Picaud To cite this version: Bruno Cessac, D Karvouniari, Lionel Gil, Olivier Marre, Serge Picaud. Ion channels and properties of large neuronal networks: a computational study of re.nal waves during development. Symposium on Ion channels and Channelopathies - IPMC, Nov 2018, Sophia Antipolis, France. hal-01925829

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Page 1: Ion channels and properties of large neuronal networks: a ... · destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant

HAL Id: hal-01925829https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01925829

Submitted on 17 Nov 2018

HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publiés ou non,émanant des établissements d’enseignement et derecherche français ou étrangers, des laboratoirespublics ou privés.

Ion channels and properties of large neuronal networks:a computational study of re.nal waves during

developmentBruno Cessac, D Karvouniari, Lionel Gil, Olivier Marre, Serge Picaud

To cite this version:Bruno Cessac, D Karvouniari, Lionel Gil, Olivier Marre, Serge Picaud. Ion channels and propertiesof large neuronal networks: a computational study of re.nal waves during development. Symposiumon Ion channels and Channelopathies - IPMC, Nov 2018, Sophia Antipolis, France. �hal-01925829�

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Ionchannelsandproper.esoflargeneuronalnetworks:acomputa.onalstudy

ofre.nalwavesduringdevelopment.

D.Karvouniari,Biovisionteam,INRIAandLJAD,UCAL.Gil,INLN,SophiaAntipolis

O.Marre,InstitutdelaVision,ParisS.Picaud,InstitutdelaVision,Paris

B.Cessac,Biovisionteam,INRIA,SophiaAntipolis

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Ionchannelsandproper.esoflargeneuronalnetworks:acomputa.onalstudy

ofre.nalwavesduringdevelopment.

D.Karvouniari,Biovisionteam,INRIAandLJAD,UCAL.Gil,INLN,SophiaAntipolis

O.Marre,InstitutdelaVision,ParisS.Picaud,InstitutdelaVision,Paris

B.Cessac,Biovisionteam,INRIA,SophiaAntipolis

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3

The structure of the adult retina

Light

photoreceptorsganglion cells bipolar cells

amacrine cells horizontal cells

Retina’s layered structure

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4

The structure of the retina during development

Light XRetina’s layered structure is shaped during development

But How? Retinal waves!

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5

Retinal waves

Recordings from the retina

Multi-electrode array(MEA)

(Maccione et al. 2014)

ΜΕΑ recording of the voltage from a P11 mouse retina in the presence of 10 μM bicuculline.

Spontaneous spatio-temporal waves during development Disappear short after birth

when vision is functional

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6

StagesofRetinalWavesDuringDevelopment

StageI

StageII

StageIII

•  Formationof

retinacircuitry•  Chemical

synapsesnotformedyet

•  Gapjuction-mediated

•  Retinotopicmapping•  NicotinicAcetylcholineReceptors

(nAChR)•  Disappearwhen

visionisfunctional•  Glutamate–

AMPAreceptors

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7

StagesofRetinalWavesDuringDevelopment

StageI

StageII

StageIII

•  Formationof

retinacircuitry•  Chemical

synapsesnotformedyet

•  Gapjuction-mediated

•  Retinotopicmapping•  NicotinicAcetylcholineReceptors

(nAChR)•  Disappearwhen

visionisfunctional•  Glutamate–

AMPAreceptors

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development

iii) Pharmacology

P4

P8

Time (sec) 500

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

P4

P8

Time (sec) 500

iv) Spatial Variability

Zheng et al. 2004

ii) Development

iii) Pharmacology

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1212

Experimentsfortheemergenceofretinalwaves

Experimentforisolatedneurons,Zhengetal.,2006,Nature

Retinalwavesrequirethreecomponents:i)  Spontaneousburstingactivity

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1313

Experimentforisolatedneurons,Zhengetal.,2006,Nature

Retinalwavesrequirethreecomponents:i)  Spontaneousburstingactivityii)  Refractorymechanism(slowAfterHyperPolarisation-sAHP)

Experimentsfortheemergenceofretinalwaves

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1414Experimentforcoupledandisolatedneurons,Zhengetal.,2006,Nature

Retinalwavesrequirethreecomponents:i)  Spontaneousburstingactivityii)  Refractorymechanism(slowAfterHyperPolarisation-sAHP)iii) Coupling(throughAcetylcholineneurotransmitter)

Coupledneuronssynchronize

Coupledneuronssynchronize

Experimentsfortheemergenceofretinalwaves

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1515Experimentforcoupledandisolatedneurons,Zhengetal.,2006,Nature

Retinalwavesrequirethreecomponents:i)  Spontaneousburstingactivityii)  Refractorymechanism(slowAfterHyperPolarisation-sAHP)iii) Coupling(throughAcetylcholineneurotransmitter)

Coupledneuronssynchronize

IsolatedNeuronsburstindependently

Coupledneuronssynchronize

Experimentsfortheemergenceofretinalwaves

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Whystudyretinalwaves?

16

Strategy:

Toproposeamodel(i)suf1icientlyclosefrombiophysicstoexplainandproposeexperimentsand(ii)suf1icientlywellposedmathematicallytoanalyse

itsdynamicsuponvaryingbiophysicalparameters(development-pharmacology).

•  Modellingonecellbursting

•  Modelingcellscoupling

•  Modellingwavesgeneration,propagationandtermination.

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Whystudyretinalwaves?

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Strategy:

Toproposeamodel(i)suf1icientlyclosefrombiophysicstoexplainandproposeexperimentsand(ii)suf1icientlywellposedmathematicallytoanalyse

itsdynamicsuponvaryingbiophysicalparameters(development-pharmacology).

•  Modellingonecellbursting

•  Modelingcellscoupling

•  Modellingwavesgeneration,propagationandtermination.

Mul.scalemodelling

Fromionicchanneltoneurontore.nascale

Nonlineardynamics,dynamicalsystemstheory,sta.s.calphysics.

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Mainassumption

Thereareafewphysiologicalparameterscontrollingre.nalwavesdynamics,evolu.onandvariability.

Findtheseparametersfromamathema.calanalysis

Bifurca.ontheory

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19

AnetworkmodelforstageIIretinalwaves

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20

Membranepotentialdynamics

Cm∂V∂t

= −gLML V −VL( )− gCa V( ) V −VCa( )− gKN V −VK( )

AnetworkmodelforstageIIretinalwaves

Morris-Lecar&FastK+channels

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21

Cm∂Vi∂t

= −gLML Vi −VL( )− gCa Vi( ) Vi −VCa( )− gKNi Vi −VK( )− gsAHPRi4 Vi −VK( )− gj,Ach Aj( )

j∑ Vi −VAch( )

sAHPcurrentRefractorymechanism

AnetworkmodelforstageIIretinalwaves

Morris-Lecar&FastK+channels

Membranepotentialdynamics

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SetofequationsforsAHPcurrent

R R R R

ActivatedCa-gated K+ channel

Ca 4 Calcium ions bound to each saturated Calmodulin complex S

Saturated Calmodulin molecule (CaM) bind to each channel subunit

All 4 subunits R of the channel are bound to activate the channel

Gating mechanism

CaM

Ca CaCa CaCa Ca

Ca CaCa CaCa CaCa Ca

Ca

CaM CaM CaMSC

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SACsNetwork

SACsrealisticconnections

SACsonalattice SACsbecomepointsonalattice

Modelsynapticinteractions

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24

Cm∂Vi∂t

= −gLML Vi −VL( )− gCa Vi( ) Vi −VCa( )− gKNi Vi −VK( )− gsAHPRi4 Vi −VK( )− gj,Ach Aj( )

j∑ Vi −VAch( )

sAHPcurrentRefractorymechanism

AchcurrentNetworkeffect

AnetworkmodelforstageIIretinalwaves

Morris-Lecar&FastK+channels

Membranepotentialdynamics

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-80

-60

-40

-20

0

20

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2ISN1IHc

V (m

V)

Iext (pA)

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Page 28: Ion channels and properties of large neuronal networks: a ... · destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant

Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Interburst intervals

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Interburst intervals

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Variability within retinal waves

iii) Pharmacology

P4

P8

Time (sec) 500

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PredicttheroleofKv3channelsinthelossofSACsexcitability

A BExperiment (Zheng et al. 2006) Model

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X

Time (min)

Coupled neurons synchronize

Coupled neurons synchronize

Isolated neuronsburst independently

Cellular mechanisms of stage II retinal waves

Zheng et al. 2006

C. Synchrony through Acetylcholine

Mutual excitatory connections between SACs through

Acetylcholine

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34

Waves speed

• gAc

•  Waves speed

Propaga8onthreshold

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Variability within retinal waves

Zheng et al. 2004

ii) Development

iv) Spatial Variability

Zheng et al. 2004

ii) Development

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IsolatedNeurons gach=0.126nS

gach=0.168nS gach=0.21nS

36

NetworkofSACs:SimulatedVoltage

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37

NetworkofSACs:SimulatedCalciumConcentra.on

gach=0.168nS gach=0.21nS

gach=0.126nSgach=0.102nS

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38

NetworkofSACs:SimulatedCalciumConcentra.on

gach=0.168nS gach=0.21nS

gach=0.126nSgach=0.102nS

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Waves size distributionlin-log log-log

A

B

C

E

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N-neuronmodel

•  Thereisacompe88onbetween2mechanisms:–  Periodvariabilitywhichtendstodesynchronise–  Acetylcholinewhichtendstosynchronise

•  Thereisanintermediateregimeofcoupling,wherevariabilityismaximum

•  ThereforethereisawiderepertoireofpaQerns– Weakcouplingleadstosmalllocalisedac8vity– Moderatecouplingleadstopropaga8ngpa?erns–  Strongcouplingleadstocompletesynchronyofneurons

40

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Model Experiment

ExperimentallyvaryingAchconductance(DataD.Karvouniari+Ins8tutdelaVision)

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Model Experiment

ExperimentallyvaryingAchconductance(DataD.Karvouniari+Ins8tutdelaVision)

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Variability within retinal waves

i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

Zheng et al. 2004

ii) Development i)   Across species

0!150!300!450!600!

Speed (μm/s)!0!37,5!75!112,5!150!187,5!

Period (s)!

Rab

bit

Mou

se

Chi

ck

Turt

leGodfrey et al. 2007

P4

P8

Time (sec) 500

iv) Spatial Variability

Zheng et al. 2004

ii) Development

iii) Pharmacology

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Conclusion

•  BiophysicalmodelofstageIIre8nalwavesrelevantat:•  Thecellsscale(burs.ng,experimentalmatchandpredic.ons)•  Thenetworkscale(wavespropaga.on)•  Thedevelopmentallevel(evolu.onofionicchannelsandsynapses).

•  Theore8caldescrip8onviabifurca8ontheory•  Burs.ng•  Interburstvariability•  WavespaQerns

•  Nextstep:reac8va8ngwavesinadults.