Highly Energized Inhibitory Interneurons are a Central Element for Information Processing in Cortical Networks

神经科学 抑制性突触后电位 生物 兴奋性突触后电位 新皮层 中间神经元 加巴能 帕尔瓦布明 膜电位 线粒体 细胞生物学
作者
Oliver Kann,Ismini Papageorgiou,Andreas Draguhn
出处
期刊:Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism [SAGE Publishing]
卷期号:34 (8): 1270-1282 被引量:263
标识
DOI:10.1038/jcbfm.2014.104
摘要

Gamma oscillations (~30 to 100 Hz) provide a fundamental mechanism of information processing during sensory perception, motor behavior, and memory formation by coordination of neuronal activity in networks of the hippocampus and neocortex. We review the cellular mechanisms of gamma oscillations about the underlying neuroenergetics, i.e., high oxygen consumption rate and exquisite sensitivity to metabolic stress during hypoxia or poisoning of mitochondrial oxidative phosphorylation. Gamma oscillations emerge from the precise synaptic interactions of excitatory pyramidal cells and inhibitory GABAergic interneurons. In particular, specialized interneurons such as parvalbumin-positive basket cells generate action potentials at high frequency (‘fast-spiking’) and synchronize the activity of numerous pyramidal cells by rhythmic inhibition (‘clockwork’). As prerequisites, fast-spiking interneurons have unique electrophysiological properties and particularly high energy utilization, which is reflected in the ultrastructure by enrichment with mitochondria and cytochrome c oxidase, most likely needed for extensive membrane ion transport and γ-aminobutyric acid metabolism. This supports the hypothesis that highly energized fast-spiking interneurons are a central element for cortical information processing and may be critical for cognitive decline when energy supply becomes limited (‘interneuron energy hypothesis’). As a clinical perspective, we discuss the functional consequences of metabolic and oxidative stress in fast-spiking interneurons in aging, ischemia, Alzheimer's disease, and schizophrenia.
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