Dio 1: Gradijent dopamina kontrolira pristup distribuiranoj radnoj memoriji u velikoj majmunskoj kori

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Sean Froudist-Walsh,1 Daniel P. Bliss,1 Xingyu Ding,1 Lucija Rapan,2 Meiqi Niu,2 Kenneth Knoblauch,3,4 Karl Zilles,2,8 Henry Kennedy,3,4,5,7 Nicola Palomero-Gallagher ,2,6,7 i Xiao-Jing Wang1,7,9,*

1Center for Neural Science, New York University, New York, NY 10003, SAD

2 Istraživački centar Julich, INM-1, Julich, Njemačka

3 INSERM U846, Institut za istraživanje matičnih ćelija i mozga, 69500 ​​Bron, Francuska

4 Universite´ de Lyon, Universite´ Lyon I, 69003 Lyon, Francuska

5 Institut za neuronauku, Državna ključna laboratorija za neuronauku, Kineska akademija nauka (CAS), Ključna laboratorija neurobiologije primata CAS, Šangaj, Kina

Kliknite ovdje za dio 2

SAŽETAK

Dopamin je potreban zaradna memorija, ali kako modulira korteks velikih razmjera nije poznato. Ovdje izvještavamo da gustina dopaminskih receptora po neuronu, mjerena autoradiografijom, prikazuje makroskopski gradijent zajedno sa kortikalnom hijerarhijom makaka. Ovaj gradijent je inkorporiran u model korteksa velikih razmera zasnovan na konektomima koji ima više tipova neurona. Model bilježi obrnutu zavisnost u obliku slova U odradna memorijana dopamin i prostorne obrasce trajne aktivnosti uočene u preko 90 eksperimentalnih studija. Štaviše, pokazujemo da je dopamin ključan za filtriranje irelevantnih stimulansa tako što pojačava inhibiciju interneurona koji ciljaju dendrite. Naš model je otkrio da se trag memorije u tišini aktivnosti može ostvariti olakšavanjem među-arealnih veza i da prilagođavanje kortikalnog dopamina inducira prebacivanje iz ovog stanja unutrašnje memorije u distribuiranu trajnu aktivnost. Naš rad predstavlja razumijevanje na više nivoa od molekula i tipova ćelija do dinamike rekurentnih kola koja leži u osnovi osnovne kognitivne funkcije raspoređene po kori primata.

Cistanche može poboljšati pamćenje

UVOD

Naša sposobnost da razmišljamo o teškim problemima bez ometanja je obilježje spoznaje. Kada smo suočeni sa stalnim protokom informacija, moramo imati na umu određene informacije i zaštititi ih od ometanja. Na primjer, kada u supermarketu tražite svoj omiljeni puter, važno je da imate na umu njegovu prepoznatljivu zlatnu ambalažu i da vas ne ometaju brojni drugi mliječni proizvodi. Ova funkcija mozga se zoveradna memorija. Radno pamćenje često uključuje trajnu neuronsku aktivnost koja je specifična za informacije koje se moraju zapamtiti. Ova mnemonička aktivnost se održava unutar više kortikalnih i subkortikalnih područja u odsustvu vanjske stimulacije (Funahashi et al., 1989; Fuster i Alexander, 1971; Guo et al., 2017; Leavitt et al., 2017; Mejias i Wang, 2021; Men-doza-Halliday et al., 2014; Murray et al., 2017; Romo et al., 1999; Romo i Salinas, 2003; Vergara et al., 2016; Wang, 2001; Zhang et al., 2019 ).

Radna memorijai prefrontalni korteks su pod uticajem monoaminergičke modulacije (Goldman-Rakic, 1995; Robbins i Arnsten, 2009). U stvari, iscrpljivanje dopamina iz prefrontalnog korteksa i potpuna ablacija prefrontalnog korteksa uzrokuju slične nedostatke radne memorije (Brozoski et al., 1979). Dopamin modulira kortikalnu aktivnost preko svojih receptora. D1 receptori su najgušće eksprimirani tip dopaminskih receptora u korteksu. Aktivnost prefrontalnog neurona tokom radne memorije zavisi od preciznih nivoa aktivacije D1 receptora, sa premalo ili previše D1 stimulacije koja remeti aktivnost perioda odlaganja (Vijayraghavan et al., 2007; Wang et al., 2019). Međutim, gustina D1 receptora je poznata samo za relativno male dijelove korteksa majmuna (Goldman-Rakic ​​et al., 1990; Impieri et al., 2019; Lidow et al., 1991; Niu et al., 2020; Richfield et al., 1989). Zbog nedostatka područja analiziranih u studijama, nije jasno da li varijacije u gustoći D1 receptora u kortikalnim područjima predstavljaju slučajnu heterogenost ili sistematski gradijent kortikalne modulacije dopamina.

Dopaminski receptori su također različito izraženi kod različitih tipova inhibitornih neurona (Mueller et al., 2018, 2020). Različiti tipovi inhibitornih ćelija prvenstveno fokusiraju svoju inhibiciju na dendrite ili somate piramidalnih ćelija ili na druge inhibitorne neurone (Jiang et al., 2015; Tremblay et al., 2016). Kroz svoje različite efekte na različite interneurone, dopamin smanjuje inhibiciju somata piramidalnih ćelija i povećava inhibiciju dendrita (Gao et al., 2003). Jedna rana teorijska studija je predložila da inhibicija usmjerena jače prema dendritima i dalje od somata piramidalnih stanica može povećati otpor radne memorije na ometanje (Wang et al., 2004a). Funkcionalni značaj diferencijalnih efekata dopamina na različite inhibitorne tipove neurona još nije istražen.

U ovom radu smo se pozabavili dva otvorena pitanja. Prvo, kako dopamin modulira distribuiranradna memorijapreko multi-regionalnog velikog kortikalnog sistema? Drugo, u svjetlu naglaska na tipovima ćelija u modernoj fiziologiji korteksa, da li dopamin doprinosi robusnoj radnoj memoriji protiv distraktora zahvaljujući različitim efektima na različite klase neurona? Da bismo odgovorili na ova pitanja, izvršili smo kvantitativno mapiranje gustoće dopamin D1 receptora u 109 kortikalnih područja koristeći in vitro autoradiografiju i konstruisali veliki računarski model korteksa makaka koji je sposoban da obavlja zadatke radne memorije. Model je izgrađen korištenjem podataka o povezanosti praćenja retrogradnog trakta i uključuje gradijente D1 receptora i ekscitatorne sinapse. Štaviše, prema našim saznanjima, ovo je prvi veliki model korteksa koji ima tri podtipa inhibitornih neurona. Naši rezultati sugeriraju da aktiviranje dopaminskih neurona može uključiti trajnu aktivnost otpornu na distraktore, selektivnu na stimulans u više regija mozga kao odgovor na stimulanse relevantne za ponašanje. Nadalje, proširujemo, od lokalnog područja do multi-regionalnog korteksa, mehanizam tihog djelovanja koji je predložen za određene oblike tragova kratkoročnog pamćenja bez trajne aktivnosti (Mongillo et al., 2008; Rose et al., 2016; Wolff et al., 2017). Otkrili smo da se ovaj scenario uglavnom oslanja na kratkoročno olakšavanje među-područnih veza, ali se ne odupire distraktorima. Poboljšana modulacija dopamina može pretvoriti trag interne memorije u aktivno stanje trajne aktivnosti potrebno za filtriranje distraktora. Stoga, naši nalazi doprinose rješavanju trenutne debate o dva suprotstavljena scenarija koji doprinoseradna memorija(Constantinidis et al., 2018; Lundqvist et al., 2018; Wa-Tanabe i Funahashi, 2014) i pod kojim uslovima se svaki mehanizam implementira (Barbosa et al., 2020; Masse et al., 2019; Trbutschek et al. , 2019.).

REZULTATI

Hijerarhijski gradijent dopamin D1 receptora po neuronu preko korteksa majmuna

Prvo smo analizirali obrasce raspodjele D1 i D2 receptora u mozgu makaka koristeći autoradiografiju in vitro receptora (slika S1). Autoradiografija omogućava kvantifikaciju endogenih receptora u ćelijskoj membrani upotrebom radioaktivnih liganada (Niu et al., 2020; Palomero-Gallagher i Zilles, 2018; Rapan et al., 2021). Najveće gustine (u fmol/mg proteina) oba tipa receptora pronađene su u bazalnim ganglijama, sa kaudatnim jezgrom (D1, 298±28; D2, 188±30) i putamenom (D1, 273±40; D2, 203). ±37) koje predstavljaju znatno veće vrijednosti od unutrašnje (D1, 97±34; D2, 22±12) ili eksterne (D1, 55±16; D2, 30±11) podjela globusa pallidusa. Gustine sirovog kortikalnog D1 receptora kretale su se od 49±13 fmol/mg proteina u području 4a primarnog motornog korteksa do 101±35 fmol/mg proteina u orbitofrontalnom području 11l (Slika 1A).

Gustina D2 receptora u korteksu je toliko niska da se ne može detektovati metodom koja se ovdje koristi.

Da bismo uporedili gradijent D1 receptora sa drugim poznatim gradijentima anatomske organizacije u korteksu majmuna, pažljivo smo mapirali podatke o receptorima (slika 1A), kao i podatke o gustoći neurona (slika 1B; Collins et al., 2010) i broju kičme (Slika 1C; Elston, 2007) na Yerkes19 zajednički kortikalni šablon, na koji su prethodno mapirani podaci o anatomskom praćenju trakta (Slika 1D, i) (Donahue et al., 2016). Ovdje uključujemo podatke retrogradnog praćenja iz 40 regija, kvantificirane korištenjem istog protokola kao u prethodnim publikacijama (Markov et al., 2014b). Ovo proširuje broj ubrizganih kortikalnih područja za 33 posto, s vezama na područja 1, 3, V6, F4, F3, 25, 32, 9, 45A i OPRO (orbitalni proiso korteks) koji su sada uključeni u bazu podataka (može se preuzeti iz jezgre -nets.org). Procijenili smo kortikalnu hijerarhiju koristeći podatke o laminarnoj povezanosti (Slika 1D, ii; STAR metode; Markov et al., 2014a), proširujući prethodne opise kortikalne hijerarhije zasnovane na manjem broju regija (Markov et al., 2014a; Mejias et al., 2016). Jednodimenzionalna hijerarhija je vjerovatno preveliko pojednostavljenje strukture kortikalne povezanosti. Budući da imamo podatke o povezanosti za dva različita senzorna modaliteta, izračunali smo i kružno ugrađivanje podataka o povezanosti, pri čemu radijalna udaljenost od ivice predstavlja hijerarhijski položaj i ugaona udaljenost između tačaka koja predstavlja inverznu snagu njihove povezanosti (Chaudhuri et al., 2015). U ovom kružnom prikazu, odvojene vizuelne i somatosenzorne hijerarhije mogu se jasno uvažiti, sa asocijacijskim regionima koji padaju pod uglovima od glavnih osa senzorne hijerarhije (Slika 1E).

Da bismo olakšali funkcionalnu interpretaciju, podijelili smo gustinu D1 receptora prema gustini neurona (Collins et al., 2010) kako bismo omogućili procjenu stepena do kojeg dopamin modulira pojedinačne neurone u korteksu. Gustoća D1 receptora po neuronu dostigla je vrhunac u parijetalnom i frontalnom korteksu i bila je relativno niska u ranom senzornom korteksu (slika 1F). Postojala je jaka pozitivna korelacija između gustine D1 receptora po neuronu i kortikalne hijerarhije (Slika 1G; r=0.81). Zbog prostorne auto-korelacije između kortikalnih karakteristika (tj. obližnji dijelovi korteksa obično imaju sličnu anatomiju), moguće je otkriti lažne korelacije između različitih karakteristika anatomije mozga. Da bismo to objasnili, generirali smo 10,000 zamjenskih mapa sa sličnom prostornom autokorelacijom kao i mapa hijerarhije (Burt et al., 2020). Nijedna od ovih surogat mapa nije bila u tolikoj korelaciji sa mapom gustine D1 receptora kao hijerarhija, dajući p-vrijednost manju od 0,0001 za korelaciju D1 receptor-hijerarhija. Nije bilo značajne veze između ekspresije D1 receptora i toga da li je kortikalno područje imalo granularni sloj IV (Wilcoxon rank-sum Z=0.39, p=0.70) ili do stepena deksternopiramidalizacije (Kruskal - Wallis c2=1.47, p=0.48; Goulas et al., 2018; Sanides, 1962; Slika S2). Ovaj obrazac ekspresije receptora sugerira da dopamin uglavnom modulira područja koja doprinose višoj kognitivnoj obradi.

Zatim smo napravili veliki model korteksa makaka. Postavili smo lokalno kolo u svako od 40 kortikalnih područja (slika 2A, desno). Svojstva ovih lokalnih krugova varirala su u različitim područjima u obliku makroskopskih gradijenata (Wang, 2020) povezanosti na daljinu (podešene podacima praćenja), jačine ekscitacije (podešene brojem kralježnice) i modulacije D1 receptorima (postavljene prema podacima autoradiografije receptora). Definirali smo veze između područja koristeći kvantitativne podatke o retrogradnom praćenju trakta. U modelu, inter-arealne veze su ekscitativne i ciljaju na dendrite piramidalnih ćelija (Petreanu et al., 2009). Interarealne ekscitatorne veze također ciljaju kalretinin (CR)/vazoaktivni intestinalni peptid (VIP) ćelije u većoj mjeri nego ćelije parvalbumina (PV) ili kalbindin (CB)/somatostatin (SST) (Lee et al., 2013; Wall et al. ., 2016.). Prednja očna polja (FEF) imaju neobično visoku gustinu CR (ovdje CR/VIP) ćelija (Pouget et al., 2009). Da bismo to objasnili, povećali smo udio inter-arealnog unosa u CR/VIP ćelije u FEF-u i smanjili snagu unosa u PV i CB/SST ćelije.

Obrnuti U odnos između stimulacije kortikalnog D1 receptora i aktivnosti distribuirane radne memorije

Simulirali smo kortikalni model velikih razmjera tokom izvođenja aradna memorijazadatak (Slika 2C) sa različitim nivoima kortikalne dostupnosti dopamina. U simulacijama, stimulus-selektivniInter-arealna povezanost određuje obrazac aktivnosti distribuirane radne memorije.Zatim smo uporedili obrazac aktivnosti perioda kašnjenja u modelu sa aktivnošću perioda kašnjenja uočenom u preko 90 elektrofizioloških studija (Leavitt et al., 2017). Odabrali smo parametre modela koji bi proizveli trajnu aktivnost u prefrontalnom korteksu, ali nismo prilagodili model eksperimentalnim podacima. Od 19 kortikalnih područja u kojima je takva aktivnost procijenjena tokom perioda kašnjenja u najmanje tri eksperimentalne studije, 18 se slagalo između simulacijskih i eksperimentalnih rezultata (c2=15:03; p=0: 0001 Slika 3A). Sve u svemu, eksperimentalno opažena trajna aktivnost iz brojnih studija je reprodukovana, potvrđujući model. Ovo nam omogućava da pregledamo anatomska svojstva koja su u osnovi distribuiranog obrasca aktivnosti i steknemo uvid u moždane mehanizme koji ga mogu proizvesti.

Ponovili smo simulacije modela nakon miješanja anatomskih podataka. Obrasci aktivnosti perioda kašnjenja za 30,000 simulacija zasnovani na promiješanoj anatomiji su upoređeni sa uzorkom koji je uočen eksperimentalno. Deset hiljada simulacija je izvedeno korišćenjem izmešanih inter-arealnih veza, izmešane ekspresije D1 receptora i izmešane ekspresije dendritične kičme odvojeno. Preklapanje između eksperimentalnog obrasca trajne aktivnosti i uzorka trajne aktivnosti modela snažno je ovisilo o inter-arealnim vezama (p=0.0004), ali ne i o obrascu D1 receptora (p=0.71 ) ili dendritski broj kičme (p=0.46) (Slika 3B). Ova analiza sugerira da su rubovi između čvorova u mreži (tj. inter-arealne veze) važni za definiranje prostornog obrasca aktivnosti perioda kašnjenja. Zatim smo pitali kako sami čvorovi (tj. pojedinačne kortikalne oblasti) različito doprinose distribuiranoj radnoj memoriji.

Nedostaci radne memorije su najteži nakon lezija u prefrontalnim područjima s visokom gustinom D1 receptora

Zatim smo kvantificirali stepen do kojeg su žarišne lezije na pojedinačnim područjima u modelu poremetile upornu aktivnost tokom zadatka radne memorije (bez distraktora). Efekat je zavisio od područja lezije i nivoa kortikalnog dopamina (slika 3C). Lezije na prefrontalnim i stražnjim parijetalnim područjima uzrokovale su najveće smanjenje stope paljenja perioda odgode (Slika 3D, E). Lezije na frontalnim područjima uzrokovale su značajno veće smanjenje stope paljenja perioda odgode nego lezije na parijetalnim područjima (Mann-Whitney U=46.0, p=0.027). Testirali smo efekte progresivno većih lezija na frontalnom i parijetalnom korteksu. Da bismo povećali veličinu lezija, za svaki režanj prvo smo lezirali područje koje je izazvalo najveći pad aktivnosti kašnjenja kada se lezija pojedinačno, a zatim smo dodatno lezirali područje koje je izazvalo drugi najveći pad i tako dalje (frontalna lezija 1:46d, lezija 2: 46d plus 8B, lezija 3: 46d plus 8B plus 8 m, itd.; parijetalna lezija 1: USNA, lezija 2: LIP plus 7m, lezija 3: LIP plus 7 m plus 7B, itd.). Prilikom lezije dva frontalna regiona, aktivnost mnemoničkog perioda kašnjenja je potpuno uništena u celom korteksu, tako da mreža više nije bila u stanju da izvrši zadatak. Nasuprot tome, progresivno veće lezije parijetalnog korteksa uzrokovale su samo postepeno smanjenje frontoparijetalne aktivnosti kašnjenja, pa čak i kada je cijeli parijetalni korteks uklonjen (10 područja), ostala je dovoljna rezidualna mnemonička aktivnost perioda kašnjenja da bi se omogućilo dekodiranje signalnog stimulusa ( Slika 3F).

Kasnije smo se pozabavili sposobnošću modela da održi aktivnost perioda kašnjenja specifičnu za znak u prisustvu distraktora nakon preciznog oštećenja svake kortikalne oblasti. Analizirali smo ispitivanja na svim nivoima kortikalne dostupnosti dopamina. Lezije na tri prefrontalna područja (8m, 46d i 8B), ali ne i druga područja, uzrokovale su potpuni poremećaj radne memorije otporne na distraktore u svim ispitivanjima. Lezije na mnogim drugim područjimauzrokovao je potpuno smanjenje aktivnosti radne memorije otporne na distraktore za neke studije (koje odgovaraju određenom rasponu dopamina), ali ne i druge. Sedam lezija koje su uzrokovale najveći poremećaj radne memorije bile su u frontalnom korteksu (šest prefrontalnih područja i premotorno područje F7; slika 3G). Smanjenje performansi je bilo značajno veće za lezije na frontalnim kortikalnim područjima nego u parijetalnim područjima (Mann-Whitney U=48.5, p=0.032). Naše simulacije stoga sugeriraju da (1) lezije prefrontalnog i stražnjeg parijetalnog korteksa mogu uzrokovati značajan poremećaj aktivnosti perioda odgode, (2) frontalne lezije imaju veći učinak na ponašanje od parijetalnih lezija i (3) manje lezije, posebno na prefrontalni korteks, može značajno poremetiti performanse na težim zadacima radne memorije, kao što su oni sa distraktorima. Nasuprot tome, veće lezije su potrebne da poremete performanse jednostavnih zadataka radne memorije.