Amongst different areas of the brain, the cerebellum has a major role in sensorimotor integration, and the rodent whisker system is one of the models mostly used to explore how this complex processing works. However, the role of the cerebellum in the whisker system and, more precisely, in the voluntary whisker movement is not clear. Recent studies reported that optogenetic stimulation of Purkinje cells in lobule Crus I evokes whisker movements and that the activity of these neurons can be linearly related to whisker position during spontaneous movements. Our aim is to enrich the current knowledge by questioning if those findings are exclusive to neurons in lobule Crus I and investigating if Purkinje cells firing rate of several areas in the cerebellar cortex can be correlated to other kinematic features of the whisking behaviour. Thus, through optogenetic stimulation of different regions of the cerebellar cortex, we found that the excitation of these areas can induce peculiar whisker movements in terms of timing, strength, and duration. Indeed, activation of the Purkinje cells in the Paramedian lobule can evoke longer-lasting whisker movements with shorter latency. Furthermore, thanks to electrophysiological recordings, we correlate the simple spike firing rate of the Purkinje cells to the whisker movement revealing that it correlates with a different component of whisker position and other kinematic parameters of the action, such as amplitude and velocity. We show that in some cerebellar areas Purkinje cells activity rather correlates with the whisker movement amplitude while in others with the whisker velocity. Lastly, we confirmed that the activity of the deep cerebellar nuclei, Purkinje cell downstream neurons and sole output of the cerebellum, is also related to the position and the velocity of the whisker movement. Hence, the cerebellum receives and transmits Purkinje cells inputs, encoding for whisker parameters, to the downstream pre-motor neurons.
Tra le diverse aree del cervello, il cervelletto rappresenta uno dei principali attori implicati nella integrazione sensorimotoria; in questo ambito, uno dei modelli di ricerca più utilizzato è il whisker system dei roditori. Nonostante ciò, non è ancora stato definito in modo completo il ruolo del cervelletto in questo sistema, soprattutto in relazione al movimento volontario delle vibrisse. Uno studio recente ha riportato che la foto stimolazione delle cellule del Purkinje, localizzate nel lobulo Crus I della corteccia cerebellare, induce il movimento delle vibrisse, e che l’attività elettrica di tali cellule può essere linearmente correlata alla posizione della vibrissa durante il movimento. Questo studio si propone di ampliare queste conoscenze investigando se il movimento può essere indotto stimolando anche altre aree del cervelletto e se l’attività delle cellule del Purkinje può essere correlata con altre caratteristiche cinematiche del movimento delle vibrisse. Grazie ad esperimenti di optogenetica, abbiamo identificato altre aree della corteccia cerebellare che, se stimolate, possono indurre il movimento delle vibrisse con caratteristiche sito-specifiche. Infatti, stimolando cellule del Purkinje localizzate nel lobulo Paramedian è possibile evocare un movimento più duraturo e con minor latenza. Inoltre, tramite esperimenti di elettrofisiologia, abbiamo correlato la scarica delle cellule del Purkinje con il movimento volontario delle vibrisse, evidenziando la relazione dell’attività elettrica di tali neuroni con un altro parametro correlato alla posizione delle vibrisse ma anche con l’ampiezza e con la velocità del movimento. In particolare, mostriamo come in alcune aree cerebellari la scarica delle cellule del Purkinje moduli preferenzialmente l’ampiezza del movimento, mentre in altre la velocità. Infine, abbiamo confermato anche a livello dei nuclei cerebellari, i quali ricevono input dalle cellule del Purkinje, la presenza di neuroni che correlano preferenzialmente per l’ampiezza o per la velocità del movimento.
Contributo cerebellare all’output motorio delle vibrisse
SOGGIA, GIULIA
2020/2021
Abstract
Amongst different areas of the brain, the cerebellum has a major role in sensorimotor integration, and the rodent whisker system is one of the models mostly used to explore how this complex processing works. However, the role of the cerebellum in the whisker system and, more precisely, in the voluntary whisker movement is not clear. Recent studies reported that optogenetic stimulation of Purkinje cells in lobule Crus I evokes whisker movements and that the activity of these neurons can be linearly related to whisker position during spontaneous movements. Our aim is to enrich the current knowledge by questioning if those findings are exclusive to neurons in lobule Crus I and investigating if Purkinje cells firing rate of several areas in the cerebellar cortex can be correlated to other kinematic features of the whisking behaviour. Thus, through optogenetic stimulation of different regions of the cerebellar cortex, we found that the excitation of these areas can induce peculiar whisker movements in terms of timing, strength, and duration. Indeed, activation of the Purkinje cells in the Paramedian lobule can evoke longer-lasting whisker movements with shorter latency. Furthermore, thanks to electrophysiological recordings, we correlate the simple spike firing rate of the Purkinje cells to the whisker movement revealing that it correlates with a different component of whisker position and other kinematic parameters of the action, such as amplitude and velocity. We show that in some cerebellar areas Purkinje cells activity rather correlates with the whisker movement amplitude while in others with the whisker velocity. Lastly, we confirmed that the activity of the deep cerebellar nuclei, Purkinje cell downstream neurons and sole output of the cerebellum, is also related to the position and the velocity of the whisker movement. Hence, the cerebellum receives and transmits Purkinje cells inputs, encoding for whisker parameters, to the downstream pre-motor neurons.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/14186