Striatum, the input stage of the basal ganglia, is important for sensory-motor integration, initiation and selection of behaviour, as well as reward learning. Striatum receives glutamatergic inputs from mainly cortex and thalamus. In rodents, the striatal projection neurons (SPNs), giving rise to the direct and the indirect pathway (dSPNs and iSPNs, respectively), account for 95% of the neurons and the remaining 5% are GABAergic and cholinergic interneurons. Interneuron axon terminals as well as local dSPN and iSPN axon collaterals form an intricate striatal network. Following chronic dopamine depletion as in Parkinson9s disease (PD), both morphological and electrophysiological striatal neuronal features are altered. Our goal with this in-silico study is twofold: a) to predict and quantify how the intrastriatal network connectivity structure becomes altered as a consequence of the morphological changes reported at the single neuron level, and b) to investigate how the effective glutamate drive to the SPNs would need to be altered to account for the activity level seen in SPNs during PD. In summary we find that the richness of the connectivity motifs is significantly decreased during PD, while at the same time a substantial enhancement of the effective glutamatergic drive to striatum is present.

Background: Computational models of ionic channels represent the building blocks of conductance-based, biologically inspired models of neurons and neural networks. Ionic channels are still widely modelled by means of the formalism developed by the seminal work of Hodgkin and Huxley, although the electrophysiological features of the channels are currently known to be better fitted by means of kinetic (Markov-type) models. Objective: The present study is aimed at showing why kinetic, simplified models are better suited to model ionic channels compared to Hodgkin and Huxley models, and how the manual optimization process is rationally carried out in practice for these two kinds of models. Methods: Previously published experimental data on macroscopic currents of an illustrative ionic channel (NaV1.5) are exploited to develop a step by step optimization of the two models in close comparison. The proposed kinetic model is a simplified one, consisting of five states and ten transitions. Results: A conflicting practical limitation is recognized for the Hodgkin and Huxley model, which only supplies one parameter to model two distinct electrophysiological behaviours (namely the steady-state availability and the recovery from inactivation). In addition, a step by step procedure is provided to correctly optimize the kinetic model. Conclusion: Simplified kinetic models are at the moment the best option to closely approximate the known complexity of the ionic channel macroscopic currents. Their optimization is achievable by means of a rationally guided procedure, and it results in models with computational burdens comparable with those from Hodgkin and Huxley models.

Abstract Striatum, the input stage of the basal ganglia, is important for sensory-motor integration, initiation and selection of behaviour, as well as reward learning. Striatum receives glutamatergic inputs from mainly cortex and thalamus. In rodents, the striatal projection neurons (SPNs), giving rise to the direct and the indirect pathway (dSPNs and iSPNs, respectively), account for 95% of the neurons and the remaining 5% are GABAergic and cholinergic interneurons. Interneuron axon terminals as well as local dSPN and iSPN axon collaterals form an intricate striatal network. Following chronic dopamine depletion as in Parkinson’s disease (PD), both morphological and electrophysiological striatal neuronal features are altered. Our goal with this in-silico study is twofold: a) to predict and quantify how the intrastriatal network connectivity structure becomes altered as a consequence of the morphological changes reported at the single neuron level, and b) to investigate how the effective glutamatergic drive to the SPNs would need to be altered to account for the activity level seen in SPNs during PD. In summary we find that the richness of the connectivity motifs is significantly decreased during PD, while at the same time a substantial enhancement of the effective glutamatergic drive to striatum is present.