Organizzazione spaziale degli input eccitatori da BLA e CA3 nei neuroni piramidali nella regione CA1 dell'ippocampo ventrale

The spatial organisation of synaptic inputs plays a fundamental role in shaping nonlinear input-output relationships in neurons by modulating local dendritic excitability, including dendritic spikes and plateau potentials. This enhances neuronal computational properties and processing capabilities. However, a comprehensive understanding of how synaptic inputs are distributed across the entire dendritic tree of pyramidal neurons (PNs) and how this spatial organisation influences dendritic integration remains incomplete. Anatomical studies using GFP-based synapse reconstruction provide detailed maps of synaptic spatial distribution but cannot determine input activation. Conversely, functional approaches such as calcium or glutamate imaging capture synaptic activity but are typically limited to small dendritic regions. This study aims to investigate the spatial relationship between two key excitatory inputs: Schaffer collateral (SC) projections from CA3 and basolateral amygdala (BLA) projections, which converge onto apical proximal and basal dendrites of ventral CA1 (vCA1) hippocampal PNs. These inputs carry integrated sensorial contextual information and valence-related information, respectively. Our study seeks to uncover whether BLA inputs form spatially distinct synapses on apical versus basal dendrites of vCA1 PNs, potentially encoding emotional valence at a subcellular level. Specifically, we hypothesise that certain dendritic branches exhibit input-specific specialisation, preferentially processing either BLA or CA3 inputs. This organisation may contribute to the computational specialisation of individual neurons by influencing how dendritic branches integrate emotional and contextual information. To test this, we used acute mouse brain slices (NMDG-based cutting solution) and performed whole-cell patch-clamp recordings from vCA1 PNs. BLA terminals expressing Channelrhodopsin-2 were activated optogenetically, while SC inputs were stimulated electrically. Dendritic morphology was reconstructed using the Simple Neurite Tracer (SNT) plug-in in Fiji/ImageJ, classifying dendrites as apical or basal. A custom Python-based tool was developed to automatically place regions of interest (ROIs). Two-photon laser-scanning microscopy was employed to map the location of individual glutamatergic spines across the entire dendritic arbour. Deep learning-based automated detection was then used to reconstruct the dendritic spines map, allowing calcium events detection and spines distribution analysis. Our results suggest that BLA and CA3 inputs do not preferentially target specific dendritic branch degrees, but influence spine activation based on compartmental structure (apical vs. basal). This points to a degree of compartmentalised integration of synaptic inputs, where apical dendrites serve as a site for both BLA and CA3 convergence, despite differences in their spatial organisation. By linking the macro-level insights of projection patterns with micro-level synaptic architecture, this study provides new insights into how spatial synaptic organisation influences dendritic integration. Understanding where and how BLA synapses contact vCA1 dendrites may reveal how emotional memory traces are processed at the dendritic level.

L’organizzazione spaziale degli input sinaptici gioca un ruolo fondamentale nel delineare relazioni input-output non lineari nei neuroni modulando l’eccitabilità dendritica locale, inducendo spike dendritici e plateau potentials. Questo migliora le proprietà computazionali e le capacità di elaborazione. Tuttavia, una comprensione completa di come gli input sinaptici siano distribuiti nell'intero albero dendritico dei neuroni piramidali (PN) e di come questa organizzazione spaziale influenzi l'integrazione dendritica rimane incompleta. Gli studi anatomici che utilizzano la ricostruzione delle sinapsi basata su GFP forniscono mappe dettagliate della distribuzione spaziale sinaptica, ma non possono determinare l'attivazione dell'input. Al contrario, gli approcci funzionali come l'imaging del calcio o del glutammato catturano l'attività sinaptica, ma sono in genere limitati a piccole regioni dendritiche. Questo studio mira a indagare la relazione spaziale tra due input eccitatori chiave: proiezioni collaterali di Schaffer (SC) da CA3 e proiezioni dell'amigdala basolaterale (BLA), che convergono sui dendriti apicali prossimali e basali dei PN ippocampali ventrali CA1 (vCA1). Questi input trasportano rispettivamente informazioni contestuali sensoriali integrate e informazioni correlate alla valenza. Il nostro studio cerca di scoprire se gli input da BLA formano sinapsi spazialmente distinte sui dendriti apicali, rispetto a quelli basali, dei PN vCA1, codificando potenzialmente la valenza emotiva a livello subcellulare. Nello specifico, ipotizziamo che alcuni rami dendritici presentino una specializzazione specifica dell'input, elaborando preferibilmente input da BLA o CA3. Questa organizzazione può contribuire alla specializzazione computazionale dei singoli neuroni influenzando il modo in cui i rami dendritici integrano le informazioni emotive e contestuali. Per testare la nostra ipotesi, abbiamo utilizzato fette di cervello di topo (soluzione di taglio basata su NMDG) ed eseguito registrazioni di patch-clamp (configurazione whole-cell) da PN vCA1. I terminali BLA che esprimevano Channelrhodopsin-2 sono stati attivati optogeneticamente, mentre gli input SC sono stati stimolati elettricamente. La morfologia dendritica è stata ricostruita utilizzando il plug-in Simple Neurite Tracer (SNT) in Fiji/ImageJ, classificando i dendriti come apicali o basali. Abbiamo sviluppato uno strumento basato su Python per posizionare automaticamente le regioni di interesse (ROI). È stata utilizzata la microscopia a scansione laser a due fotoni per mappare la posizione delle singole spine glutamatergiche attraverso l'intero albero dendritico. È stato quindi utilizzato il rilevamento automatico basato su deep learning per ricostruire la mappa delle spine dendritiche, consentendo il rilevamento degli eventi di calcio e l'analisi della distribuzione delle spine. I nostri risultati suggeriscono che gli input BLA e CA3 non mirano preferenzialmente a specifici gradi di ramificazione dendritica, ma influenzano l'attivazione della spina in base alla struttura compartimentale (apicale vs. basale). Ciò indica un grado di integrazione compartimentalizzata degli input sinaptici, in cui i dendriti apicali fungono da sito per la convergenza sia di BLA che di CA3, nonostante le differenze nella loro organizzazione spaziale. Collegando le intuizioni a livello macro dei modelli di proiezione con l'architettura sinaptica a livello micro, questo studio fornisce nuove intuizioni su come l'organizzazione sinaptica spaziale influenza l'integrazione dendritica. Comprendere dove e come le sinapsi BLA contattano i dendriti vCA1 può rivelare come le tracce di memoria emozionale vengono elaborate a livello dendritico.