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Spinal circuit mechanisms constrain therapeutic windows for ALS intervention: A computational modeling study

神经科学 肌萎缩侧索硬化 兴奋性突触后电位 生物神经网络 抑制性突触后电位 神经传递 运动神经元 突触 神经网络 生物 损失函数 计算机科学 中心图形发生器 突触可塑性 运动前神经元活动 计算模型 变性(医学)
作者
Beck Strohmer,Kaitlyn Grosh,Roser Montañana-Rosell,Santiago Mora,Jessica Ausborn,Ilary Allodi
出处
期刊:Neurobiology of Disease [Elsevier BV]
卷期号:219: 107253-107253
标识
DOI:10.1016/j.nbd.2025.107253
摘要

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by progressive breakdown of neural circuits which leads to motoneuron death. Earlier work from our lab showed that dysregulation of inhibitory V1 interneurons precedes the degeneration of excitatory V2a interneurons and motoneurons and that stabilizing V1-motoneuron connections improved motor function and saved motoneurons in the SOD1G93A ALS mouse model. However, the optimal timing for this intervention remains unclear. To address this, we developed a spiking neural network model of spinal locomotor circuits to simulate healthy and ALS-like conditions. By modeling changes in network connectivity and synaptic dynamics, we predict that V1 dysregulation induces an imbalance in motoneuron output which results in flexor-biased activity, leading to the disruption of flexor-extensor coordination, and potentially contributing to selective vulnerability of flexor motoneurons. Stabilizing V1 synapses preserved motor output even after motoneuron loss, suggesting that therapeutic benefit is possible into symptomatic stages. However, model predictions also highlighted that after sustained synaptic loss and the development of slower synaptic dynamics within the network, synaptic stabilization leads to maladaptive extensor-biased activity, suggesting that excitatory/inhibitory balance impacts treatment effectiveness. Finally, the model indicated that V1 stabilization could lead to rescue of the V2a excitatory interneurons, a finding that we were able to confirm experimentally in the SOD1G93A ALS mouse model. By exploring different scenarios of synaptic loss and cell dysregulation during synaptic stabilization, our models provide a framework for predicting candidate time windows for spinal circuit interventions, which may guide future preclinical investigations.
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