Volume electron microscopy analysis of synapses in associative and primary regions of the Human Cerebral Cortex

• Autores: Nicolás Cano Astorga
• Directores de la Tesis: Lidia Alonso Nanclares (dir. tes.), Javier de Felipe Oroquieta (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 282
• Títulos paralelos:
  • Análisis de las sinapsis en regiones asociativas y primarias de la corteza cerebral humana mediante microscopía electrónica volumétrica
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carmen Cavada Martinez (presid.), Miguel Ángel García Cabezas (secret.), Ricardo Martínez Murillo (voc.), Natalí Barros Zulaica (voc.), Nerea Moreno García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Neurociencia por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología celular
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Estudios funcionales y estructurales que investigan las conexiones a gran escala en la corteza cerebral humana sugieren que las regiones corticales asociativas de orden superior tienen más conexiones en comparación con las regiones primarias. Sin embargo, la forma en que estas regiones están organizadas a nivel ultraestructural no se comprende bien en la actualidad. Por lo tanto, esta tesis doctoral ha utilizado una combinación de técnicas de microscopía óptica y microscopía electrónica tridimensional para investigar la organización sináptica del cerebro humano. En primer lugar, examinamos si las muestras de tejido cerebral humano obtenidas de biopsias y autopsias eran comparables para estudiar la organización de las sinapsis, centrándonos en el neuropilo de la capa III del área de Brodmann 21, y utilizando diferentes métodos para cuantificar el número de sinapsis. El siguiente paso fue investigar cómo difiere la organización sináptica entre regiones del cerebro funcional y estructuralmente distintas. Para lograr esto, se analizaron las áreas de Brodmann asociativas (21, 24, 38 ventral y dorsal) y las áreas de Brodmann primarias (17, 3b y 4) de varios individuos.

    Este enfoque también permitió evaluar la variabilidad de las propiedades sinápticas entre individuos. Para alcanzar estos objetivos, se utilizó microscopía electrónica de volumen (haz de iones focalizados/ microscopía electrónica de barrido). Este análisis implicó examinar 74 series de imágenes, que representan un volumen de 35.481 μm3 de neuropilo de tejido cerebral . A través de este proceso, se reconstruyeron 13.903 uniones sinápticas.

    Nuestro análisis no reveló diferencias significativas en el número de sinapsis cuantificadas utilizando diferentes métodos (estereológicos versus reconstrucciones en tres dimensiones) cuando se aplicaron a las mismas muestras, siempre y cuando se analizaran un número relativamente grande de imágenes. Además, encontramos que tanto las fuentes de tejido cerebral de biopsias y autopsias son comparables para examinar las características sinápticas.

    Asimismo, al comparar diferentes regiones del cerebro, se observó que algunas características de la organización sináptica —como el número de sinapsis por volumen, la proporción de sinapsis según la diana postsináptica y el tamaño de las sinapsis excitadoras— pueden variar dependiendo de la región. Notablemente, las regiones asociativas parecían tener más conexiones sinápticas en comparación con las regiones corticales primarias. Además, otros aspectos de la organización sináptica, como la proporción de sinapsis excitadoras e inhibidoras, sus formas, su distribución espacial y una mayor proporción de sinapsis ubicadas en espinas dendríticas, parecían ser consistentes en todas las regiones estudiadas. Estas características comunes podrían representar principios fundamentales de cómo se organizan las sinapsis en el cerebro humano. Finalmente, la variabilidad entre individuos se vinculó a características sinápticas específicas en ciertas regiones corticales.

    Esta tesis doctoral arroja nueva luz sobre la intrincada conectividad y organización de la corteza cerebral humana, allanando el camino para futuros avances en nuestra comprensión del cerebro

  • English

    Functional and structural studies investigating large-scale connections in the human cerebral cortex suggest that higher-order associative cortical regions have more connections compared to primary regions. However, the way these regions are organized at the ultrastructural level is currently not well understood. Therefore, this doctoral thesis used a combination of light and three-dimensional electron microscopy techniques to investigate the synaptic organization of the human brain. First, we examined whether biopsy and autopsy human brain tissue samples were comparable for studying the organization of synapses, focusing on the neuropil of layer III of Brodmann area 21, using different methods to quantify the number of synapses. The next step was to investigate how synaptic organization differs between functionally and structurally distinct brain regions. To achieve this, associative Brodmann areas (21, 24, ventral and dorsal 38) and primary Brodmann areas (17, 3b, and 4), were analyzed from several individuals. This approach also allowed the variability of synaptic properties across individuals to be assessed. To achieve these goals, volume electron microscopy (focused ion beam/scanning electron microscopy) was used. This analysis involved examining 74 stacks of images, representing a total brain tissue volume of 35,481 μm3 of neuropil. Through this process, 13,903 synaptic junctions were reconstructed.

    Our analysis revealed no significant differences in the number of synapses quantified using different methods (stereological versus three-dimensional reconstructions) when applied to the same samples, as long as a relatively large number of images were analyzed. Additionally, we found that both biopsy and autopsy brain tissue sources are comparable when examining the synaptic characteristics.

    Furthermore, by comparing different brain regions, it was observed that some features of synaptic organization —such as the number of synapses per volume, the proportion of synapses according to the postsynaptic target, and the size of excitatory synapses— can vary depending on the region. Notably, associative regions seemed to have more synaptic connections compared to primary cortical regions. Interestingly, other aspects of the synaptic organization, like the proportion of excitatory and inhibitory synapses, their shapes, their spatial distribution, and a higher proportion of synapses located on dendritic spines, appeared to be consistent across all regions studied. These common features might represent fundamental principles of how synapses are organized in the human brain. Finally, the variability between individuals was linked to specific synaptic characteristics in certain cortical regions.

    This doctoral thesis sheds new light on the intricate connectivity and organization of the human cerebral cortex, paving the way for further advances in our understanding of the brain