A hippocampalis théta-oszcillációk optogenetikai frekvenciájú kódolása disszociálja a munkamemória visszakeresését a hippokampusz térbeli és időbeli kódjaiból, 1. rész

Az agyi tevékenység pontos időbeli koordinációjáról úgy gondolják, hogy alapvető fontosságú a memóriaműködés szempontjából. A mediális septumban lévő gátló neuronok kiemelkedő beidegzési forrást biztosítanak a hippocampus számára, és kiemelkedő szerepet játszanak a hippokampusz théta (~8 Hz) oszcillációinak szabályozásában. Míg a mediális septális neuronok farmakológiai gátlásáról ismert, hogy megzavarja a memóriát, a septális gátló neuronok pontos szerepe a hippocampális reprezentációk és a memória szabályozásában nem teljesen ismert.

Az agyi aktivitás és a memória közötti kapcsolat szorosan összefügg. Emlékezetünk szorosan kapcsolódik agyunk működéséhez, testünk egyik fő szervéhez, amely szabályozza, hogyan gondolkodunk, érzünk és cselekszünk. Ezért, ha jobb emlékeket akarunk, akkor hatékonyabban kell használnunk az agyunkat.

Először is meg kell értenünk, hogyan működik az agyunk. Az agynak van egy része, az úgynevezett hippokampusz, amely a memóriaközpontunk. Felelős a feldolgozott információk hosszú távú memóriává alakításáért és agyunkban való tárolásáért. A hippokampusz működését befolyásoló tényezők elsősorban az agy vérkeringése, valamint az idegsejtek mennyisége és minősége.

Másodszor, figyelnünk kell az agy aktívan tartására. Az új dolgok folyamatos tanulásával az agy gyakrabban vesz részt az információfeldolgozásban és a memória felidézésében, ami elősegíti a hippocampus egészségét és javítja a memóriát. Ezért az agyunkat aktívan tarthatjuk, és javíthatjuk a memóriánkat könyvek olvasásával, nyelvtanulással, memóriagyakorlással stb.

Végül figyelnünk kell a helyes életmód megtartására. Például az elegendő alvás, a kiegyensúlyozott táplálkozás és a rendszeres testmozgás elősegítheti az agy és a test egészséges működését, ezáltal javítva a memóriánkat.

Röviden, az agyi tevékenység és a memória szorosan összefügg. Sok szempontból elősegíthetjük az agy egészségét és képzését, ezáltal javítva a memóriánkat, és megbirkózhatunk az élet és a munka különböző kihívásaival. Látható, hogy javítanunk kell a memóriánkat. A Cistanche deserticola jelentősen javíthatja a memóriánkat, mert a Cistanche deserticola egy hagyományos kínai gyógyászati ​​anyag, amelynek számos egyedi hatása van, amelyek közül az egyik a memória javítása. A darált hús hatékonyságát a benne található különféle hatóanyagok jelentik, beleértve a savakat, poliszacharidokat, flavonoidokat stb. Ezek az összetevők különféle módon elősegíthetik az agy egészségét.

Kattintson a Ismerje meg a rövid távú memória javításának módját

Itt szétválasztjuk a théta-ritmusok szerepét a térbeli és időbeli kódolásban és a memóriában egy teljesen optikai lekérdezési és rögzítési megközelítéssel. Azt találtuk, hogy az optogenetikai frekvencia-kódoló stimulációk megszüntetik a théta-oszcillációkat, és modulálják a hippokampusz neuronjainak egy részét. Az ilyen stimuláció csökkentette az epizodikus és a munkamemória visszakeresését, miközben a hippocampalis spatiotemporális kódot érintetlenül hagyta. Vizsgálatunk azt sugallja, hogy a théta ritmusok alapvető szerepet játszanak a memóriában, de nem feltétlenül szükségesek a hippokampusz tér-temporális kódjaihoz.

Úgy gondolják, hogy a neuronális aktivitás pontos időbeli koordinációja alapvető fontosságú a memória kódolásához és visszakereséséhez. Konkrétan a mediális septumról (MS) azt javasolták, hogy a lefelé irányuló struktúrák fő korszakaként működjön, és biztosítja a legnagyobb kéreg alatti bemenetet a hippokampuszba1. Az SM egy neurokémiailag heterogén struktúra, amely GABAerg2-ből, főként parvalbumin (PV)-pozitív neuronokból3, valamint kolinerg4-ből és glutamáterg neuronok kisebb populációjából5,6 áll.

Az MS PV sejtek közvetlenül a GABAerg interneuronokra vetülnek a hippocampusban, ami a hippocampalis piramissejtek előrecsatolt gátló szabályozását eredményezi3. Ezenkívül a hippocampuson belüli PV interneuronok nélkülözhetetlenek a théta (~8 Hz) ritmusok ingerléséhez7, és az MS PV neuronjainak optogenetikai stimulációja közvetlenül8,9 vagy terminálisaik10 a hippocampusban összefügg a hippokampusz oszcillációinak frekvencia-specifikus ingerlésével, míg az MS vivo gátlása csökkent théta oszcillációs erővel társult11–13.

Míg a teljes SM optogenetikai gátlást összefüggésbe hozták a térbeli memória károsodásával14, ezek a hatások potenciálisan a kolinerg funkciók megzavarására vezethetők vissza15, 16, amelyekről ismert, hogy kritikusak a memória szempontjából. Újabban a nemkolinerg MS PV sejtek aktivitása szükséges a memóriakódoláshoz és visszakereséshez17,18. Nevezetesen, a hippokampusz az epizodikus19,20 és a munkamemória magstruktúrája is. Mivel az SM elengedhetetlen a hippokampusz théta ritmusának létrehozásához és fenntartásához, az SM aktivitásának megzavarása valószínűleg hatással lesz a hippocampális fiziológiára és a munkamemóriára22.
Bár a hippokampusz-függő memória pontos fiziológiai mechanizmusai jelenleg nem ismertek, felvetődött, hogy az adott kontextus specifikus helyeit kódoló hippokampusz helysejtek23 támogathatják az epizódmemóriát24. A hippocampális CA1 almezőben a térbeli hangolás a kontextuális szenzoros bemenetektől függ25. Más változók, mint például az idő és a távolság, szintén kódolhatók vizuálisan irányított mozgás során26,27, de érzékszervi jelek hiányában is28, valószínűleg belső információk felhasználásával, beleértve az önmozgást is29 (lásd Mehta30 és McNaughton31).

Az idő és a tér reprezentációi konjunktívan ábrázolhatók a hippocampális neuronokban, és az ilyen multiplexelt spatiotemporális kódok a munkamemória jelölt szubsztrátja lehet 32–34. A távoli vizuális jelek futópaddal35–37 vagy a virtuális valóság paradigmáinak26, 27, 38 történő rögzítésén túl a tér-idő-kódokat analitikusan is kivonták olyan általánosított lineáris modellek segítségével, amelyek teret, időt és távolságot valósítanak meg37. Az ilyen megközelítéseket azonban nem alkalmazták széles körben az idegsejtek aktivitásának rögzítésére a szabad feltárás során.

Számos tanulmány azt sugallja, hogy a hippocampális théta ritmusok időbeli kódok hátterében állhatnak, mivel a théta ritmusok szorosan összehangolják a hippokampusz aktivitását. Míg a munkamemóriát nem igénylő feladatokat végző rágcsálók CA1-ben és CA3-ban is kimutattak idősejteket41, az SM farmakológiai gátlása az idő specifikus megzavarását eredményezi, de nem a helysejtekben, és csökkent munkamemóriával jár36. A farmakológiai megközelítések egyik fontos hátránya, hogy nem tesznek különbséget a GABAerg sejtek és a kolinerg sejtek relatív hozzájárulásában a memóriafunkcióhoz. Nevezetesen, az SM kolinerg aktivitásának gátlása megváltoztatja a hippocampalis térbeli reprezentációkat43 és csökkenti a munkamemória teljesítményét44,45. Meglepő módon az MS farmakológiai gátlása a csökkent théta oszcillációs erővel járt, de nem a helymezőkkel46, és a helysejtek aktivitásának ez a rugalmassága a csökkent thetavák során nem a tapasztalatokhoz kapcsolódó plaszticitási mechanizmusoknak köszönhető.

Az MS GABAerg interneuronok specifikusan optogenetika felhasználásával történő gátlására irányuló korábbi kísérletek a théta-jelek csak részleges csökkenésével jártak, de nem teljes mértékben. A théta-oszcilláció optogenetikai ingerlése viszont csak a helycella jellemzőiben bekövetkezett kisebb változásokkal járt együtt, beleértve a tüzelési frekvencia9 és fázis enyhe eltolódását48. Ezen túlmenően, bár feltételezik, hogy az MS bemenetek közvetlenül szabályozhatják a hippocampális időbeli kódokat, az ok-okozati összefüggések még mindig hiányoznak. A mai napig ismeretlen az MS-PV neuronok pontos szerepe a hippocampalis spatiotemporális kódok és a memória összehangolásában.

Itt az MS PV aktivitását optogenetika segítségével szabályoztuk a théta-oszcillációk megszüntetése érdekében, vörös eltolódású serkentő opszin segítségével. Javasolunk egy megközelítést a hippocampalis thetarhythmusok teljes felszámolására, amely az MS neuronok optogenetikai frekvenciakódoló stimulációján alapul. Alternatív megoldásként a théta-ritmusok természetes frekvenciájukon történő ingerlése ugyanazon állatoknál az alanyon belüli kontrollt biztosít. Kombináltuk az optogenetikai kontrollt a CA1 piramissejtek kalcium-leképezésével egerekben, amelyek lineáris pályán futnak szekvenciális hangokkal.

Ilyen körülmények között információelméleti megközelítéssel szétválaszthatnánk a hely-, idő- és távolságcellákat. A théta jelek optogenetikai frekvenciakódolása során mind a hely, mind az idő reprezentációja megmaradt, és a CA1 piramissejteknek csak egy kis részét modulálta stimuláció. Ezt követően azt találtuk, hogy a thetaoszcilláció ablációja a munkamemória visszanyerésének károsodásával járt, ami arra utal, hogy az MS PV sejtek kritikus szerepet játszanak a hippokampusz théta-oszcillációinak létrehozásában, amelyek szükségesek az emlékezet-visszanyeréshez, de nem vesznek részt a tér- és időbeli reprezentációkban.

Eredmények

A CA1 piramissejtek spatiotemporális információt kódolnak

A CA1 principális sejtek nagy populációiban a spatiotemporális kódok vizsgálatához GCaMP6fast expresszáló vírusvektort injektáltunk a CamKII promóter alá a hippocampus CA1 régiójába, aGRIN lencsét ültettünk be az injekció helye fölé, és nyílt forráskódú miniscopes49 segítségével kalciumfelvételeket készítettünk a piramis neuronokról. ,50 (1a., b. ábra; lásd az 1. kiegészítő ábrát a részletes szövettanért). Kivontuk a neuronok térbeli lábnyomait (1c. ábra) és a megfelelő kalciumtranzienseket (1d. ábra) CNMFe51 segítségével. A fő cellák térbeli és időbeli hangolási tulajdonságainak szétszedésére kifejlesztettünk egy feladatot, amely egy lineáris sávot kombinál a pálya mindkét végén mozgásérzékelők által kiváltott háromhangú jelzésekkel. Minden egyes futás végén azonnal új hangjelzés hallatszott, amely tájékoztatta az egereket a jutalom kiosztása felé haladó előrehaladásról.

Minden negyedik futást magas hangú, folyamatos hangjelzés jellemezte, amely a lineáris pálya végén jutalom kiosztásához társult (1e. ábra). Minden egyes egér abszolút helyzetét, valamint a jutalom helyéről való távozás óta eltelt időt és megtett távolságot figyeltük (1f. ábra). Ezeket a változókat és a binarizált neuronális aktivitást felhasználva kiszámítottuk a valószínűségi hangolási görbéket (1g. ábra), és kölcsönös információt (MI) származtattunk a neuronális aktivitás és a hely, az idő, valamint a rögzített sejt távolsága között. A korreláció alapú elemzésekkel ellentétben az MI nem feltételez lineáris, monoton összefüggést a neuronális aktivitás és a viselkedési változók között, hanem az egyik változónak a másikkal magyarázható bizonytalanságának mértékét fejezi ki.

Az MI-értékek jelentőségét olyan kevert helyettesítőkkel teszteltük, amelyek körkörös permutáción mentek keresztül (n {{0}}), hogy megőrizzük a kalciumtranziensek időbeli dinamikáját. Azok a neuronok, amelyek kizárólag egy változót kódoltak a kevertnél nagyobb MI-vel, az esetek 95%-ában (p kisebb vagy egyenlő, mint 0,05), helymodulált (térbeli), időmodulált (időbeli) vagy távolságmoduláltként (lásd: Mód). A következő elemzésekhez azokra a jelölt sejtekre összpontosítottunk, amelyek csak szignifikáns változót kódolnak (1h. ábra). Fontos, hogy az időmodulált sejtek nem voltak szisztematikusan aktívak bizonyos helyeken, és a helymodulált sejtek nem voltak szisztematikusan aktívak egy adott időpontban (1i, j ábra).

Míg az egyetlen változót kódoló sejtek többsége helymodulált, a neuronok nagy része konjunktív neuron volt, amelyek egynél több változót kódoltak (17,98 ± 1,77%). Ezzel szemben a sejtkódoló hely kizárólag a 9.{11}}2 ± 1,61%-át képviselte a teljes rögzített populációnak, míg 1,79 ± 0,68%-a szelektíven kódolt távolság és 1,27 ± 0,09% szelektíven kódolt idő (1k. ábra; további Az időre, térre vagy távolságra hangolt neuronok példái információtartalmukkal együtt a 2. kiegészítő ábrán láthatók.

Bár információelméleti megközelítésünk képes szétválasztani az átfedő változókat azáltal, hogy elkülöníti azokat a sejteket, amelyek csak egy változót kódolnak jelentős mértékben, tovább teszteltük az egyes sejttípusok relevanciáját a térbeli és időbeli változók kódolásában egy naiv Bayes-féle osztályozó segítségével a hely dekódolására (1l–n. ábra), az eltelt idő (1o–q ábra), és a megtett távolságot (1r–t ábra) a lineáris pályán52.

Megbecsültük az egyes egerek aktuális állapotát a neuronális aktivitáshoz tartozó maximális a posteriori (MAP) érték és a tényleges vagy körkörösen kevert bináris aktivitás felhasználásával kiszámított bootstrapped hangolási görbék kiszámításával (1l, o, r ábra; lásd a Módszerek részletes protokollját). Az előrejelzések minőségét zavaró mátrixok (1m. ábra, p, s) és az előrejelzett állapot és a tényleges állapot közötti euklideszi távolság kiszámításával (1n, q, t ábra) értékelték. Fontos, hogy Bayes-dekóderünk átlagosan 16,58 cm-es hibát eredményezett, ami lényegesen alacsonyabb volt, mint a kevert helyettesítőkből történő dekódolásnál (5{{10}},95 cm; páros t-teszt, t4=19.75). ,p kisebb vagy egyenlő, mint 0,0001), és a térben modulált cellák használatával történő dekódolás lényegesen pontosabb volt, mint a nem térben modulált cellák használatakor (páros t-teszt, t4=34.54, p Kevesebb 0,0001 vagy egyenlő; 1n ábra). Hasonlóképpen, az eltelt idő átlagos dekódolási hibája 6,45 s volt, ami szignifikánsan alacsonyabb volt, mint a kevert helyettesítők használatával számított hiba (19,12 s; páros t-teszt,t4=18.01, p kisebb vagy egyenlő, mint 0,0001).

Az időmodulált cellák használatával végzett dekódolás szignifikánsan jobb pontosságot eredményezett, mint a nem időmodulált cellák (páros t-teszt, t4=3.163, p=0.0341; 1q. ábra) . Végül a dekóderünk használatával az átlagos távolsági hiba 61,40 cm volt, ami szignifikánsan alacsonyabb, mint a kevert helyettesítőké (189,6 cm; t-teszt, t4=28.79, p kisebb vagy egyenlő, mint 0,0001). A távolság-modulált cellák használatával végzett dekódolás szignifikánsan kisebb hibát eredményezett a nem távolságmodulált cellákhoz képest (t-teszt, t4=4.595,p=0.0101; 1t. ábra).

A théta oszcillációk szelektív MS optogenetikai szabályozása

Az MS által generált théta-jelek relatív hozzájárulásának vizsgálatához a ppocampalis spatiotemporális kódokhoz transzfektáltuk a vöröseltolódású ingerlő opsin ChrimsonR-t az MS-ben (2a. ábra). Ellentétben a inhibitoryopsinokkal, a ChrimsonR lehetővé tette számunkra, hogy a théta jeleket keverjük vagy ütemezzük az alanyokon belül. Ezenkívül a ChrimsonR hatékonyabb, mint a széles körben használt Channelrhodopszin-2, és lehetővé teszi az optogenetika és a kalcium képalkotás kombinálását53. A PV-sejtek 14,91 ± 3,57%-a expresszált ChrimsonR-t, amit elegendőnek találtunk a hippocampális oszcillációk pervazív kontrollálásához (n=4 egér; 2b, c ábra). Ezzel szemben gyakorlatilag nem találtunk ChrimsonR expressziót a ChAT sejtekben (a ChAT sejtek 1,05 ± 1,052%-a is expresszált ChrimsonR-t; 2d, e ábra).

Ezután száloptikával ültettük be az egereket az MS-re. 638 nm-es lézerstimulációt végeztünk, miközben a CA1-ben rögzítettük a helyi terepi potenciált (LFP) (2f. ábra). Azt találtuk, hogy az MS kódolt és 8 Hz-es optogenetikai stimuláció megzavarhatja vagy ütemezheti a théta-oszcillációt (2g. ábra). Míg az alapvonal természetes théta bizonyos frekvenciaváltoztatást mutat a 4–12 Hz-es frekvenciasávban, a 8 Hz-es stimulációk következetes és stabil hippocampális oszcillációkat eredményeztek ezen a frekvencián. Ezzel szemben a kódolt stimuláció következetesen megszüntette a théta ritmust (2h ábra).

Azt találtuk, hogy az oszcillációs erősséget (OS) a théta sávban (lásd Módszerek) szignifikánsan csökkentették a kódolt stimulációk ({{0}},45 ± 0.01) az alapidőszakokhoz képest (0.67 ± {{10}.01,p Kisebb vagy egyenlő, mint 0.00{ {29}}1), és nem különböztek szignifikánsan a fehérzajvezérlő jel operációs rendszerétől (0,50 ± 0,01, p=0,99). Másrészt, a 8 Hz-stimuláció jelentősen megnövelte a théta teljesítményt (0,82 ± 0,01,p kisebb vagy egyenlő, mint 0,0001; n=59 epocha; 2i. ábra) a kódolt stimulációkhoz képest. Szignifikáns kölcsönhatást találtunk a stimulációs mintázataink és az LFP frekvenciasáv között (F10=6.467, p kisebb vagy egyenlő, mint 0,0001). Különösen a kódolt frekvenciájú stimuláció jelentősen csökkentette a théta teljesítményt (az alapvonal théta sáv teljesítményének 0,341 ± 0,06 része; p=0,0394, páronkénti t-teszt), míg a 8 Hz-es stimulációk jelentősen növelték a théta teljesítményt (3,302 ± 0,76 része az alapvonal théta sáv teljesítményének , p=0.0004, páronkénti t-teszt; 2j. ábra), a többi frekvenciasávot változatlanul hagyva.

Míg a kalcium képalkotó és elektrofiziológiai elemzéseink csak a mozgási periódusokat tartalmazták (lásd Módszerek), azt is megállapítottuk, hogy képesek voltunk megbízhatóan megszüntetni (kiegészítő 3a, b ábra) vagy ütemezni (kiegészítő ábra 3a, c) a théta oszcillációit, függetlenül a mozgási állapottól. beleértve a pihenési időszakokat is). Míg a természetes théta operációs rendszer összefüggésben van a mozgási sebességgel (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 független korszakok; Kiegészítő 3d. ábra), a théta eltörlése ennek elvesztéséhez vezetett korreláció (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 független korszak; Kiegészítő 3e. ábra), akárcsak a 8 Hz-es stimulációk (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 független korszakok; Kiegészítő 3f. ábra, ami arra utal, hogy a mozgási állapotok nem írták felül az optogenetikai stimulációk théta-oszcillációkra gyakorolt ​​hatását.

A hippocampalis éles hullámú hullámzások (SWR) alapvető szerepet játszanak a memória konszolidációjában54–56, és az MS kolinerg neuronjainak stimulálása csökkent ripple aktivitással57 és károsodott munkamemóriával45. Bár gyakorlatilag nem találtuk a ChrimsonR expresszióját MS kolinerg neuronokban, alapvető fontosságú volt megmérni az MS optogenetikai stimulációnk hatását a hullámosság fiziológiájára. Ennek érdekében rögzítettük a CA1-LFP-t, és 5 másodperces bekapcsolt és 5 másodperces scrambledoptogenetikai stimulációt végeztünk szabadon viselkedő egereken, amelyek nyílt terepet vizsgáltak (4a. kiegészítő ábra). Megmértük a hullámos események attribútumait a kódolt stimuláció előtt és alatt, és nem találtunk változást inpower (nem párosított, kétoldali t-teszt, t6=0.076, p=0.941; Kiegészítő 4b ábra, bal panel), előfordulási gyakoriság (nem párosított, kétfarkú teszt, t6=−1,688, p=0.142; Kiegészítő 4c. ábra, bal oldali panel) vagy szélesség (nem párosított, kétoldalas t-teszt, t6=0.124, p=0.905; Kiegészítő 4d. ábra, bal oldali panel).

Hasonlóképpen, a 8 Hz-es optogenetikai stimulációnak nem volt észrevehető hatása a hullámzási teljesítményre (nem párosított, kétirányú t-teszt, t6=0.378, p=0.718; Kiegészítő 4b. ábra, jobb oldali panel), frekvencia (nem párosított, kétoldali t-teszt, t{{10}} −1,643, p=0,151; Kiegészítő 4c. ábra, jobb oldali panel) és szélesség (nem párosított, kétirányú t-teszt, t6=−0,138,p=0,894; Kiegészítő 4d ábra, jobb oldali panel). Szövettani eredményeinkkel és egy korábbi jelentésünkkel együtt, amely szerint az MS kolinerg neuronok optogenetikai stimulációja csökkenti az SWR-ek57 előfordulását, azt találtuk, hogy ezek az optogenetikai stimulációk nem befolyásolják a hippocampus kolinerg bemenetét.

For more information:1950477648nn@gmail.com