Optogenetsko frekventno kodiranje hipokampalnih teta oscilacija disocira izvlačenje radne memorije iz hipokampalnih prostorno-vremenskih kodova 1. dio

Smatra se da je precizna vremenska koordinacija aktivnosti u mozgu ključna za funkciju pamćenja. Inhibicijski neuroni u medijalnom septumu pružaju istaknuti izvor inervacije hipokampusu i igraju glavnu ulogu u kontroli hipokampalnih teta (~8 Hz) oscilacija. Iako je poznato da farmakološka inhibicija neurona medijalne septuma narušava pamćenje, tačna uloga septalnih inhibicijskih neurona u regulaciji hipokampalnih reprezentacija i pamćenja nije u potpunosti shvaćena.

Odnos između moždane aktivnosti i pamćenja usko je povezan. Naše pamćenje je usko povezano s radom našeg mozga, jednog od glavnih organa u našem tijelu koji kontrolira kako razmišljamo, osjećamo i djelujemo. Stoga, ako želimo da imamo bolje pamćenje, moramo efikasnije koristiti svoj mozak.

Prvo, moramo razumjeti kako naš mozak funkcionira. Postoji dio mozga koji se zove hipokampus, koji je naš centar za pamćenje. Odgovoran je za pretvaranje obrađenih informacija u dugoročnu memoriju i njihovo skladištenje u našem mozgu. Faktori koji utiču na funkciju hipokampusa su uglavnom cirkulacija krvi u mozgu i količina i kvaliteta nervnih ćelija.

Drugo, trebamo obratiti pažnju na održavanje mozga aktivnim. Kontinuiranim učenjem novih stvari, mozak se češće uključuje u obradu informacija i pamćenje, što promiče zdravlje hipokampusa i poboljšava pamćenje. Stoga možemo održati svoj mozak aktivnim i poboljšati svoje pamćenje čitanjem knjiga, učenjem jezika, vježbanjem pamćenja itd.

Konačno, moramo obratiti pažnju na održavanje dobrih životnih navika. Na primjer, dovoljno sna, uravnotežena ishrana i redovno vježbanje mogu pomoći u promicanju zdravog mozga i tijela, čime se poboljšava naše pamćenje.

Ukratko, moždana aktivnost i pamćenje su usko povezani. Možemo promovirati zdravlje i treniranje mozga u mnogim aspektima, poboljšavajući tako svoje pamćenje i suočavanje s raznim izazovima u životu i poslu. Vidi se da moramo poboljšati svoje pamćenje. Cistanche deserticola može značajno poboljšati naše pamćenje jer je cistanche deserticola tradicionalni kineski ljekoviti materijal koji ima mnogo jedinstvenih učinaka, od kojih je jedno poboljšanje pamćenja. Djelotvornost mljevenog mesa proizlazi iz različitih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući kiselinu, polisaharide, flavonoide, itd. Ovi sastojci mogu promovirati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite na Znaj kratkoročno pamćenje kako poboljšati

Ovdje razdvajamo ulogu teta ritmova u prostorno-vremenskom kodiranju i pamćenju koristeći potpuno optičko ispitivanje i pristup snimanju. Otkrili smo da optogenetske stimulacije frekventnog skramiranja ukidaju teta oscilacije i moduliraju dio neurona u hipokampusu. Takva stimulacija smanjila je epizodično i radnu memoriju dok je hipokampalni prostorno-vremenski kod ostao netaknut. Naša studija sugerira da teta ritmovi igraju bitnu ulogu u pamćenju, ali možda nisu potrebni za hipokampalne prostorno-vremenske kodove.

Smatra se da je precizna vremenska koordinacija neuronske aktivnosti ključna za kodiranje i pronalaženje memorije. Konkretno, predloženo je da medijalni septum (MS) djeluje kao glavni zeitgeber nizvodnih struktura i pruža najveće subkortikalne ulaze u hipokampus1. MS je neurohemijski heterogena struktura sastavljena od GABAergičnih2, uglavnom parvalbumin (PV)-pozitivnih neurona3, zajedno sa kolinergičkim4 i manjom populacijom glutamatergičnih neurona5,6.

MS PV ćelije projektuju direktno na GABAergicinterneurone u hipokampusu što dovodi do inhibicijske kontrole hipokampalnih piramidalnih ćelija3. Osim toga, PV interneuroni unutar hipokampusa su od suštinskog značaja za pejsing theta (~8 Hz) ritmova7, a optogenetska stimulacija MS PV neurona direktno8,9 ili njihovih terminala10 u hipokampusu povezana je sa frekvencijsko-specifičnim pejsingom hipokampalnih oscilacija, dok je u MS-u v. je povezan sa smanjenom snagom theta oscilacije11–13.

Dok je potpuna optogenetska inhibicija MS-a povezana s oštećenjima prostorne memorije14, ovi efekti bi se potencijalno mogli pripisati poremećaju holinergičkih funkcija15,16, za koje se zna da su kritične za pamćenje. Nedavno je aktivnost nekolinergičkih MS PV ćelija neophodna za kodiranje i pronalaženje memorije17,18. Konkretno, hipokampus je također osnovna struktura za epizodnu19,20 i radnu21 memoriju. Budući da je MS bitan u stvaranju i održavanju hipokampalnih teta ritmova, poremećaj aktivnosti MS vjerovatno će utjecati na fiziologiju hipokampusa i radnu memoriju22.
Iako su tačni fiziološki mehanizmi pamćenja ovisno o hipokampusu trenutno nepoznati, predloženo je da stanice hipokampusa23 koje kodiraju specifične lokacije danog konteksta mogu podržati epizodno pamćenje24. U hipokampalnom potpolju CA1, prostorno podešavanje zavisi od kontekstualnih senzornih inputa25. Druge varijable kao što su vrijeme i udaljenost također se mogu kodirati tokom vizualno vođene lokomocije26,27 ali iu odsustvu senzornih znakova28, vjerovatno koristeći interne informacije uključujući samopokret29 (vidi Mehta30 i McNaughton31 za pregled).

Reprezentacije vremena i prostora mogu biti predstavljene konjunktivno inhipokampalnim neuronima, a takvi multipleksirani prostorno-vremenski kodovi mogu biti kandidatski supstrat za radnu memoriju 32-34. Osim stezanja distalnih vizualnih znakova pomoću trake za trčanje35–37 ili pomoću paradigmi virtuelne stvarnosti26,27,38, prostorno-vremenski kodovi su također izvučeni analitički korištenjem generaliziranih linearnih modela koji implementiraju prostor, vrijeme i udaljenost37. Međutim, takvi pristupi se nisu intenzivno koristili na snimanju neuronske aktivnosti tokom slobodnog istraživanja.

Nekoliko studija sugerira da bi hipokampalni teta ritmovi mogli biti u osnovi vremenskih kodova budući da teta ritmovi čvrsto upravljaju hipokampalnom aktivnošću. Dok su vremenske ćelije takođe prijavljene u CA1 i CA3 glodarima koji obavljaju zadatke koji ne zahtevaju radnu memoriju41, farmakološka inhibicija MS-a dovodi do specifičnog poremećaja vremena, ali ne i ćelija mesta i povezana je sa smanjenom radnom memorijom36. Važan nedostatak farmakoloških pristupa je da oni ne razlikuju relativni doprinos GABAergičnih naspram kolinergičkih ćelija funkciji pamćenja. Utvrđeno je da inhibicija holinergičke aktivnosti MS-a mijenja prostorne reprezentacije hipokampusa43 i smanjuje performanse radne memorije44,45. Iznenađujuće, farmakološka inhibicija MS-a je bila povezana sa smanjenom snagom theta oscilacije, ali ne i s poljima mjesta46, a ova otpornost aktivnosti stanica mjesta tokom smanjene theta nije bila posljedica mehanizama plastičnosti vezanih za iskustvo47.

Prethodni pokušaji inhibicije MS GABAergičnih interneurona, posebno pomoću optogenetike, bili su povezani samo sa djelomičnim smanjenjem, ali ne i potpunim poremećajem theta signala13. Zauzvrat, optogenetski pejsing theta oscilacije je bio povezan samo sa manjim promjenama u karakteristikama ćelije mjesta, uključujući blagi pomak u frekvenciji aktiviranja9 i fazi48. Osim toga, iako se pretpostavlja da bi MS ulazi mogli direktno kontrolirati temporalne kodove hipokampusa, uzročni dokazi još uvijek nedostaju. Do danas, tačna uloga MS-PV neurona u orkestriranju hipokampalnih prostorno-vremenskih kodova i memorije ostaje nepoznata.

Ovdje smo kontrolirali aktivnost MS PV koristeći optogenetiku da bismo ubrzali ili uklonili teta oscilacije koristeći crveni pomak ekscitatornog opsina. Predlažemo pristup za potpuno ukidanje hipokampalnih tetarritmova baziran na optogenetskim stimulacijama frekvencije MS neurona. Alternativno, pejsing theta ritmova na njihovoj prirodnoj frekvenciji kod istih životinja pruža kontrolu unutar subjekta. Kombinovali smo optogenetsku kontrolu sa kalcijumskim snimanjem CA1 piramidalnih ćelija kod miševa koji trče na linearnom tragu sa sekvencijalnim tonovima.

U ovim uslovima mogli bismo da odvojimo ćelije mesta, vremena i udaljenosti koristeći pristup teoriji informacija. Prilikom izvođenja optogenetskog frekventnog skremlinga teta signala, i mjesne i vremenske reprezentacije su očuvane i samo je mali podskup CA1 piramidalnih ćelija moduliran stimulacijom. Sljedeće smo otkrili da je ablacija tetaoscilacije povezana s oštećenim vraćanjem radne memorije, što sugerira da MS PV ćelije igraju ključnu ulogu u stvaranju hipokampalnih theta oscilacija koje su neophodne za pronalaženje memorije, ali nisu uključene u prostorno-vremenske reprezentacije.

Rezultati

CA1 piramidalne ćelije kodiraju prostorno-vremenske informacije

Da bismo ispitali prostorno-vremenske kodove u velikim populacijama glavnih ćelija CA1, ubrizgali smo virusni vektor koji ekspresira GCaMP6fast ispod CamKII promotora u CA1 regiju hipokampusa, implantirali aGRIN sočivo iznad mjesta injekcije i izvršili snimanje kalcijevih slika korištenjem open-source miniskopskih neurona. ,50 (sl. 1a, b; vidi dodatnu sliku 1 za detaljnu histologiju). Ekstrahovali smo prostorne otiske neurona (slika 1c) i njihove odgovarajuće kalcijumske tranzijente (slika 1d) koristeći CNMFe51. Da bismo razdvojili svojstva prostornog i vremenskog podešavanja glavnih ćelija, razvili smo zadatak koji kombinuje linearnu stazu sa trotonskim signalima koje aktiviraju senzori pokreta na oba kraja staze. Novi ton se odmah aktivirao na kraju svake vožnje, obavještavajući miševe o njihovom napredovanju prema isporuci nagrade.

Svaka četvrta vožnja je signalizirana visokim, kontinuiranim tonom koji je bio povezan sa isporukom nagrade na kraju linearne staze (slika 1e). Praćena je apsolutna lokacija svakog miša, zajedno sa proteklim vremenom i pređenom razdaljinom od odlaska sa mesta za nagradu (slika 1f). Koristeći ove varijable i binariziranu neuronsku aktivnost, izračunali smo krivulje vjerovatnoće podešavanja (slika 1g) i izveli međusobne informacije (MI) između neuronske aktivnosti i lokacije, vremena, kao i udaljenosti za svaku snimljenu ćeliju. Za razliku od analiza zasnovanih na korelaciji, MI ne pretpostavlja linearne, monotone odnose između neuronske aktivnosti i varijabli ponašanja, već radije izražava količinu nesigurnosti jedne varijable koja se može objasniti drugom.

Značaj MI vrijednosti je testiran korištenjem izmiješanih surogata koji su podvrgnuti kružnim permutacijama (n {{0}}) kako bi se očuvala vremenska dinamika prelaznih kalcijuma. Neuroni koji su kodirali isključivo jednu varijablu s MI većim od pomiješanih surogata u 95% vremena (p manje od ili jednako 0,05) bili su označeni ili kao prostorno modulirani (prostorni), vremenski modulirani (vremenski) ili modulirani na udaljenosti (vidi Metode). Za sljedeće analize, fokusirali smo se na ćelije kandidate koje kodiraju samo značajnu varijablu (slika 1h). Važno je da vremenski modulirane ćelije nisu bile sistematski aktivne na određenim lokacijama, a ćelije modulirane mjestom nisu bile sistematski aktivne u datom trenutku (slika 1i,j).

Dok je većina ćelija koje kodiraju jednu varijablu bila modulirana mjestom, veliki dio neurona su bili konjuktivni neuroni koji su kodirali više od jedne varijable (17,98 ± 1,77%). Nasuprot tome, mjesto kodiranja ćelija predstavljalo je isključivo 9.02 ± 1,61% ukupne zabilježene populacije, dok je 1,79 ± 0,68% selektivno kodirano vrijeme i 1,27 ± 0,09% selektivno kodirano vrijeme (slika 1k; dodatno). primjeri neurona podešenih na vrijeme, prostor ili udaljenost zajedno sa njihovim informacijskim sadržajem prikazani su na dodatnoj slici 2).

Iako naš informacijsko-teorijski pristup može razdvojiti varijable koje se preklapaju izolacijom ćelija koje značajno kodiraju samo jednu varijablu, dalje smo testirali relevantnost svakog tipa ćelije u kodiranju prostorno-vremenskih varijabli koristeći naivni Bayesov klasifikator za dekodiranje lokacije (Slika 1l–n), proteklo vrijeme (Sl. 1o–q), i pređenu udaljenost (Sl. 1r–t) na linearnoj stazi52.

Procijenili smo trenutno stanje svakog miša tako što smo izračunali maksimalnu a posteriori (MAP) vrijednost s obzirom na neuronsku aktivnost i krive podešavanja za pokretanje koje su izračunate korištenjem stvarne ili kružno pomiješane binarizirane aktivnosti (slika 1l, o, r; pogledajte Metode za detaljan protokol). Kvalitet predviđanja je procijenjen korištenjem matrica konfuzije (slika 1m, p, s) i izračunavanjem Euklidske udaljenosti između predviđenog i stvarnog stanja (sl. 1n,q, t). Važno je da je naš Bayesov dekoder dao prosječnu grešku od 16,58 cm, što je znatno niže nego kod dekodiranja iz pomiješanih surogata (5{{10}},95 cm; upareni t-test, t4=19,75 ,p Manje ili jednako 0.0001), a dekodiranje korištenjem prostorno moduliranih ćelija bilo je značajno tačnije nego kada se koriste neprostorno modulirane ćelije (upareni t-test, t4=34.54, p Manje veći ili jednak 0,0001; Slika 1n). Slično, prosječna greška dekodiranja za proteklo vrijeme bila je 6,45 s, što je bilo značajno niže od greške izračunate korištenjem pomiješanih surogata (19,12 s; upareni t-test, t4=18.01, p Manje ili jednako 0,0001).

Dekodiranje korištenjem vremenski moduliranih ćelija dalo je značajno bolju tačnost u poređenju sa vremenski nemoduliranim ćelijama (upareni t-test, t4=3.163, p=0.0341; sl. 1q) . Konačno, prosječna greška udaljenosti korištenjem našeg dekodera bila je 61,40 cm, što je značajno niže od one kod promiješanih surogata (189,6 cm; t-test, t4=28.79, p manje ili jednako 0,0001). Dekodiranje korištenjem ćelija moduliranih udaljenosti dalo je značajno manje greške u poređenju sa ćelijama koje nisu modulirane udaljenosti (t-test, t4=4.595,p=0.0101; slika 1t).

Selektivna MS optogenetska kontrola theta oscilacija

Da bismo ispitali relativni doprinos MS-generisanih theta signala hipokampalnim prostorno-vremenskim kodovima, transficirali smo ekscitatorni opsin ChrimsonR sa crvenim pomakom u MS (slika 2a). Za razliku od inhibitora riopsina, ChrimsonR nam je omogućio da skremliramo ili tempiramo teta signale unutar ispitanika. Pored toga, ChrimsonR je efikasniji od široko korištenog Channelrhodopsina-2 i pruža mogućnost kombinovanja optogenetike sa snimanjem kalcijuma53. 14,91 ± 3,57% PV ćelija je eksprimiralo ChrimsonR, za koji smo smatrali da je dovoljan za vršenje pervazivne kontrole nad oscilacijama hipokampusa (n=4 miševi; slika 2b, c). Nasuprot tome, nismo našli praktički nikakvu ekspresiju ChrimsonR u ChAT ćelijama (1,05 ± 1,052% ChAT ćelija takođe je eksprimiralo ChrimsonR; slika 2d, e).

Zatim smo miševima implantirali optička vlakna preko MS-a. Izvršili smo lasersku stimulaciju od 638 nm prilikom snimanja lokalnih potencijala polja (LFP) u CA1 (slika 2f). Otkrili smo da MS kodirana i 8 Hz optogenetska stimulacija mogu poremetiti ili ubrzati teta oscilacije (slika 2g). Dok osnovna prirodna theta pokazuje neku varijabilnost frekvencije u frekventnom opsegu od 4-12 Hz, stimulacije od 8 Hz dovele su do konzistentnih i stabilnih oscilacija hipokampusa na toj frekvenciji. Nasuprot tome, kodirane stimulacije su dosljedno ukidale teta ritmove (slika 2h).

Otkrili smo da je jačina oscilacije (OS) u theteta opsegu (vidi Metode) značajno smanjena kodiranim stimulacijama ({{0}}.45 ± 0.01) u poređenju sa osnovnim epohama (0.67 ± {{10}}.01,p Manje ili jednako 0.00{ {29}}1) i nisu se značajno razlikovali od OS signala kontrole bijelog šuma (0.50 ± 0.01, p=0.99). S druge strane, 8 Hz stimulacije su značajno povećale theta snagu (0,82 ± 0,01,p manje od ili jednako 0,0001; n=59 epoha; slika 2i) u poređenju sa kodiranim stimulacijama. Također smo pronašli značajnu interakciju između naših obrazaca stimulacije i LFP frekvencijskog pojasa (F10=6.467, p manje ili jednako 0,0001). Posebno, kodirana frekvencijska stimulacija značajno je smanjila theta snagu (0,341 ± 0,06 dio snage theta opsega; p=0, 0394, t-test u parovima), dok su stimulacije od 8 Hz značajno povećale theta snagu (3,302 ± 0,76 dio bazne linije opsega snage). , p=0.0004, t-test u paru; slika 2j) ostavljajući ostale frekventne opsege nepromijenjenim.

Dok su naše imidžing kalcijuma i elektrofiziološke analize uključivale samo periode lokomocije (vidi Metode), također smo otkrili da smo bili u stanju pouzdano ukinuti (dopunska slika 3a, b) ili tempo (dopunska slika 3a, c) teta oscilacije bez obzira na stanje (stanje lokomotora uključujući periode odmora). Dok je prirodni theta OS povezan sa brzinom kretanja (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 nezavisnih epoha; Dodatna slika 3d), ukidanje theta dovelo je do gubitka takve korelacija (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 nezavisnih epoha; Dodatna slika 3e), kao i stimulacije od 8 Hz (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 nezavisnih epoha; Dodatna slika 3f) što sugerira da lokomotorna stanja nisu nadjačala efekte optogenetskih stimulacija na theta oscilacije.

Hipokampalni oštri talasi (SWR) igraju bitnu ulogu u konsolidaciji pamćenja54–56, a stimulacija MS kolinergičkih neurona je povezana sa smanjenom aktivnošću mreškanja57 i oštećenom radnom memorijom45. Iako nismo našli gotovo nikakvu ekspresiju ChrimsonR-a u MS kolinergičkim neuronima, bilo je bitno izmjeriti utjecaj naše optogenetske stimulacije MS-a na fiziologiju talasanja. U tu svrhu, snimili smo CA1-LFP i izveli 5s ON i 5s OFF skrembldoptogenetsku stimulaciju kod miševa koji se slobodno ponašaju koji istražuju otvoreno polje (dopunska slika 4a). Izmjerili smo atribute talasnih događaja prije i tokom kodirane stimulacije i nismo našli nikakve promjene u snazi ​​(neupareni, dvostrani t-test, t6=0.076, p=0.941; Dodatna slika 4b, lijevo panel), učestalost pojavljivanja (neuparen, dvostrani test, t6=−1.688, p=0.142; Dodatna slika 4c, lijevi panel) ili širina (neuparen, dvostrani t-test, t6=0.124, p=0.905; Dodatna slika 4d, lijevi panel).

Slično, primjena optogenetske stimulacije od 8 Hz nije imala uočljive efekte na snagu talasanja (neupareni, dvostrani t-test, t6=0.378, p=0.718; Dodatna slika 4b, desni panel), frekvencija (nesparen, dvostrani t-test, t{{10}} −1.643, p=0.151; Dodatna slika 4c, desni panel) i širina (neupareni, dvostrani t-test, t6=-0.138,p=0.894; Dodatna slika 4d, desni panel). Zajedno s našim histološkim rezultatima i prethodnim izvještajem da optogenetska stimulacija MS kolinergičkih neurona smanjuje pojavu SWR57, nalazimo da ove optogenetske stimulacije ne utječu na kolinergicin ulaze u hipokampus.

For more information:1950477648nn@gmail.com