Оптогенетично честотно разбъркване на тета осцилациите на хипокампа дисоциира възстановяването на работната памет от пространствено-времеви кодове на хипокампа, част 1

Смята се, че точната времева координация на дейността в мозъка е фундаментална за функцията на паметта. Инхибиторните неврони в медиалния септум осигуряват важен източник на инервация на хипокампуса и играят основна роля в контролирането на хипокампалните тета (~8 Hz) трептения. Въпреки че е известно, че фармакологичното инхибиране на медиалните септални неврони нарушава паметта, точната роля на септалните инхибиторни неврони в регулирането на хипокампалните репрезентации и паметта не е напълно разбрана.

Връзката между мозъчната дейност и паметта е тясно свързана. Нашата памет е тясно свързана с работата на нашия мозък, един от основните органи в тялото ни, който контролира как мислим, чувстваме и действаме. Следователно, ако искаме да имаме по-добри спомени, трябва да използваме мозъка си по-ефективно.

Първо, трябва да разберем как работят нашите мозъци. Има част от мозъка, наречена хипокампус, която е нашият център на паметта. Той е отговорен за преобразуването на обработената информация в дългосрочна памет и съхраняването й в мозъка ни. Факторите, които влияят на функцията на хипокампуса, са главно кръвообращението на мозъка и количеството и качеството на нервните клетки.

Второ, трябва да обърнем внимание на поддържането на мозъка активен. Като непрекъснато учи нови неща, мозъкът се включва в обработката на информацията и извикването на паметта по-често, което насърчава здравето на хипокампуса и насърчава подобрената памет. Следователно можем да поддържаме мозъка си активен и да подобрим паметта си, като четем книги, изучаваме езици, упражняваме паметта и т.н.

И накрая, трябва да обърнем внимание на поддържането на добри навици на живот. Например, достатъчно сън, балансирана диета и редовни упражнения могат да помогнат за насърчаване на здрав мозък и тяло, като по този начин подобряват паметта ни.

Накратко, мозъчната дейност и паметта са тясно свързани. Можем да насърчим здравето и обучението на мозъка в много аспекти, като по този начин подобрим паметта си и се справяме с различни предизвикателства в живота и работата. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри нашата памет, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различните активни съставки, които съдържа, включително киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Познаване на краткосрочната памет как да се подобри

Тук ние разграничаваме ролята на тета ритмите в пространствено-времевото кодиране и паметта, използвайки изцяло оптичен подход за запитване и запис. Откриваме, че оптогенетичните честотни скрамблиращи стимулации премахват тета осцилациите и модулират част от невроните в хипокампуса. Такава стимулация намалява извличането на епизодична и работна памет, като същевременно оставя хипокампалните пространствено-времеви кодове непокътнати. Нашето проучване предполага, че тета ритмите играят съществена роля в паметта, но може да не са необходими за хипокампалните пространствено-времеви кодове.

Смята се, че прецизната времева координация на невронната активност е фундаментална за кодирането и извличането на паметта. По-специално, медиалният септум (MS) е предложен да действа като основен zeitgeber към структурите надолу по веригата и осигурява най-големите подкорови входове към хипокампуса1. МС е неврохимично хетерогенна структура, съставена от GABAergic2, главно парвалбумин (PV)-положителни неврони3, заедно с холинергични4 и по-малка популация от глутаматергични неврони5,6.

MS PV клетки се проектират директно върху GABAergicinterneurons в хипокампуса, което води до инхибиторен контрол напред на хипокампалните пирамидални клетки3. В допълнение, PV интерневроните в хипокампуса са от съществено значение за пейсирането на тета (~8 Hz) ритми7, а оптогенетичната стимулация на MS PV неврони директно8,9 или на техните терминали10 в хипокампуса е свързана с честотно-специфична скорост на хипокампалните трептения, докато инхибирането на MSin vivo се свързва с намалена мощност на тета трептенията11–13.

Въпреки че пълното оптогенетично инхибиране на МС е свързано с нарушения на пространствената памет14, тези ефекти биха могли потенциално да бъдат приписани на прекъсване на холинергичните функции15,16, за които е известно, че са критични за паметта. Съвсем наскоро активността на нехолинергичните MS PV клетки е необходима за кодиране и извличане на паметта17,18. Трябва да се отбележи, че хипокампусът също е основна структура за епизодична19,20 и работна21 памет. Тъй като МС е от съществено значение за генерирането и поддържането на хипокампалните тета ритми, прекъсването на активността на МС вероятно ще повлияе надолу по веригата върху физиологията на хипокампа и работната памет22.
Въпреки че точните физиологични механизми на паметта, зависима от хипокампуса, понастоящем не са известни, се предполага, че хипокампалните клетки23, които кодират специфични места на даден контекст, могат да поддържат епизодична памет24. В хипокампалното подполе CA1, пространствената настройка зависи от контекстуалните сензорни входове25. Други променливи, като време и разстояние, също могат да бъдат кодирани по време на визуално направлявано движение 26, 27, но също и при липса на сензорни знаци 28, вероятно използвайки вътрешна информация, включително самодвижение 29 (вижте Mehta 30 и McNaughton 31 за преглед).

Представянията на времето и пространството могат да бъдат представени конюнктивно в невроните на хипокампа и такива мултиплексирани пространствено-времеви кодове биха могли да бъдат кандидат субстрат за работна памет 32–34. В допълнение към затягането на дистални визуални знаци с помощта на бягаща пътека35–37 или с помощта на парадигми на виртуална реалност26,27,38, пространствено-временните кодове също са извлечени аналитично с помощта на обобщени линейни модели, които прилагат пространство, време и разстояние37. Въпреки това, такива подходи не са били използвани широко при записи на невронна активност по време на свободно изследване.

Няколко проучвания предполагат, че хипокампалните тета ритми могат да лежат в основата на времеви кодове, тъй като тета ритмите плътно организират хипокампалната активност. Докато времевите клетки също са докладвани както в CA1, така и в CA3 на гризачи, изпълняващи задачи, които не изискват работна памет41, фармакологичното инхибиране на MS води до специфично разрушаване на времеви, но не и на клетки на място и е свързано с намалена работна памет36. Важен недостатък на фармакологичните подходи е, че те не разграничават относителния принос на GABAergic спрямо холинергичните клетки към функцията на паметта. По-специално, беше установено, че инхибирането на холинергичната активност на МС променя пространствените представи на хипокампалите43 и намалява производителността на работната памет44,45. Изненадващо, фармакологичното инхибиране на MS беше свързано с намалена мощност на тета трептенията, но не и с полетата на място46, и тази устойчивост на активността на клетките на мястото по време на намалената тета не се дължи на механизми за пластичност, свързани с опита47.

Предишни опити за инхибиране на MS GABAergic interneurons специално чрез използване на оптогенетика, бяха свързани само с частично намаляване, но не и пълно прекъсване на тета сигналите13. На свой ред, оптогенетичното темпо на тета трептенията се свързва само с незначителни промени в характеристиките на клетката, включително лека промяна в честотата на изстрелване9 и фазата48. Освен това, въпреки че се предполага, че входните данни на MS могат директно да контролират времевите кодове на хипокампа, все още липсват причинно-следствени доказателства. До ден днешен точната роля на MS-PV невроните в организирането на пространствено-времеви кодове и памет на хипокампа остава неизвестна.

Тук контролирахме MS PV активността, използвайки оптогенетика, за да ускорим или премахнем тета осцилациите, използвайки изместен в червено възбуждащ опсин. Ние предлагаме подход за пълно премахване на хипокампалните тетаритими, базиран на оптогенетични честотни кодирани стимулации на MS неврони. Като алтернатива, регулирането на тета ритмите на тяхната естествена честота при едни и същи животни осигурява контроли в рамките на субекта. Ние комбинирахме оптогенетичен контрол с калциево изобразяване на CA1 пирамидални клетки при мишки, работещи по линейна писта с последователни тонове.

При тези условия бихме могли да разделим клетките за място, време и разстояние, използвайки теоретичен подход на информацията. При извършване на оптогенетично честотно разбъркване на тета сигнали, както мястото, така и времето бяха запазени и само малък поднабор от CA1 пирамидални клетки беше модулиран чрез стимулация. След това открихме, че аблацията на тетаосцилацията е свързана с нарушено извличане на работната памет, което предполага, че MS PV клетките играят критична роля в генерирането на хипокампални тета осцилации, които са необходими за извличане на паметта, но не участват в пространствено-временните представяния.

Резултати

CA1 пирамидални клетки кодират пространствено-времева информация

За да изследваме пространствено-времевите кодове в големи популации от основни клетки CA1, ние инжектирахме вирусен вектор, експресиращ GCaMP6fast под промотор CamKII в областта CA1 на хипокампуса, имплантирахме aGRIN леща над мястото на инжектиране и извършихме записи на калциеви изображения на пирамидални неврони, използвайки минископи с отворен код49 ,50 (фиг. 1a, b; вижте допълнителна фигура 1 за подробна хистология). Ние извлякохме пространствени отпечатъци на неврони (фиг. 1c) и съответните им калциеви преходни процеси (фиг. 1d), използвайки CNMFe51. За да разграничим свойствата за пространствена и времева настройка на основните клетки, ние разработихме задача, комбинираща линейна писта с тритонални сигнали, задействани от сензори за движение в двата края на пистата. Нов тон се задейства незабавно в края на всяко изпълнение, информирайки мишките за тяхното напредване към доставка на награда.

Всяко четвърто бягане беше сигнализирано с висок, непрекъснат тон, който беше свързан с доставянето на награда в края на линейната писта (фиг. 1e). Абсолютното местоположение на всяка мишка, заедно с изминалото време и изминатото разстояние от заминаването от мястото на наградата бяха наблюдавани (фиг. 1f). Използвайки тези променливи и бинаризирана невронна активност, ние изчислихме вероятностни криви на настройка (фиг. 1g) и извлечехме взаимна информация (MI) между невронната активност и местоположението, времето, както и разстоянието за всяка записана клетка. За разлика от анализите, базирани на корелация, MI не предполага линейни, монотонни връзки между невронната активност и поведенческите променливи, а по-скоро изразява степента на несигурност на една променлива, която може да бъде обяснена с другата.

Значимостта на стойностите на MI беше тествана с помощта на разбъркани сурогати, които претърпяха кръгови пермутации (n {{0}}), за да се запази времевата динамика на калциевите преходни процеси. Невроните, които кодират изключително една променлива с MI по-голям от разбърканите сурогати в 95% от времето (p По-малко или равно на 0,05), са означени или като модулирани по място (пространствени), модулирани по време (времеви), или модулирани по разстояние (вж. Методи). За следващите анализи ние се съсредоточихме върху кандидат клетки, които само кодират значима променлива (фиг. 1h). Важно е, че модулираните във времето клетки не са систематично активни на определени места, а модулираните на място клетки не са систематично активни в даден момент (фиг. 1i,j).

Докато по-голямата част от клетките, кодиращи една променлива, бяха модулирани на място, голяма част от невроните бяха конюнктивни неврони, които кодираха повече от една променлива (17,98 ± 1,77%). За разлика от това, мястото на кодиране на клетки представлява изключително 9.02 ± 1,61% от общата записана популация, докато 1,79 ± 0.68% селективно кодирано разстояние и 1,27 ± 0,09% селективно кодирано време (фиг. 1k; допълнително примери за неврони, настроени на време, пространство или разстояние, заедно с тяхното информационно съдържание са показани на допълнителна фигура 2).

Въпреки че нашият информационно-теоретичен подход може да разплита припокриващи се променливи чрез изолиране на клетки, които значително кодират само една променлива, ние допълнително тествахме уместността на всеки тип клетка при кодиране на пространствено-времеви променливи, използвайки наивен байесов класификатор за декодиране на местоположението (фиг. 1l-n), изминалото време (Фиг. 1o–q) и изминато разстояние (Фиг. 1r–t) по линейната писта52.

Ние оценихме текущото състояние на всяка мишка, като изчислихме максималната апостериорна (MAP) стойност, дадена невронна активност и начални криви на настройка, изчислени с помощта на действителна или кръгово разбъркана бинаризирана активност (фиг. 1l, o, r; вижте Методи за подробен протокол). Качеството на прогнозите беше оценено с помощта на матрици на объркване (фиг. 1m, p, s) и чрез изчисляване на евклидовото разстояние между прогнозираното състояние и действителното състояние (фиг. 1n, q, t). Важно е, че нашият байесов декодер даде средна грешка от 16,58 cm, което беше значително по-ниско, отколкото при декодиране от разбъркани сурогати (5{{10}}.95 cm; сдвоен t-тест, t4=19.75 ,p По-малко или равно на 0.0001), а декодирането с помощта на пространствено модулирани клетки беше значително по-точно, отколкото при използване на непространствено модулирани клетки (сдвоен t-тест, t4=34.54, p По-малко по-голямо или равно на 0,0001; Фиг. 1n). По подобен начин средната грешка при декодиране за изминалото време беше 6,45 s, което беше значително по-ниско от грешката, изчислена с помощта на разбъркани сурогати (19,12 s; сдвоен t-тест, t4=18.01, p По-малко или равно на 0,0001).

Декодирането с използване на модулирани във времето клетки дава значително по-добра точност в сравнение с немодулирани във времето клетки (сдвоен t-тест, t4=3.163, p=0.0341; Фиг. 1q) . И накрая, средната грешка на разстоянието с помощта на нашия декодер беше 61,40 cm, което беше значително по-ниско от това на разбърканите сурогати (189,6 cm; t-тест, t4=28.79, p По-малко или равно на 0,0001). Декодирането с помощта на клетки, модулирани на разстояние, дава значително по-ниски грешки в сравнение с клетките без модулация на разстояние (t-тест, t4=4.595,p=0.0101; Фиг. 1t).

Селективен MS оптогенетичен контрол на тета осцилациите

За да изследваме относителния принос на генерираните от MS тета сигнали към пространствено-времевите кодове на хипокампа, ние трансфектирахме червено-изместения възбудителен опсин ChrimsonR в MS (фиг. 2а). За разлика от инхибиопсините, ChrimsonR ни позволи да кодираме или да управляваме тета сигнали в субектите. В допълнение, ChrimsonR е по-ефективен от по-широко използвания Channelrhodopsin-2 и осигурява възможност за комбиниране на оптогенетика с калциево изобразяване53. 14,91 ± 3,57% от PV клетките експресират ChrimsonR, което открихме, че е достатъчно, за да упражни всеобхватен контрол над хипокампалните трептения (n=4 мишки; Фиг. 2b, c). За разлика от това, ние не открихме практически никаква експресия на ChrimsonR в ChAT клетки (1.05 ± 1.052% от ChAT клетки също експресират ChrimsonR; Фиг. 2d, e).

След това имплантирахме мишки с оптични влакна върху MS. Извършихме 638 nm лазерна стимулация, докато записвахме локални полеви потенциали (LFP) в CA1 (фиг. 2f). Ние открихме, че оптогенетичната стимулация с MS кодирана и 8 Hz може да наруши или съответно да ускори тета осцилациите (фиг. 2g). Докато основната естествена тета показва известна честотна променливост в честотната лента 4–12 Hz, стимулациите от 8 Hz водят до последователни и стабилни хипокампални трептения при тази честота. За разлика от това, кодираните стимулации последователно премахват тета ритмите (фиг. 2h).

Установихме, че силата на трептене (OS) в тета лентата (вижте Методи) е значително намалена от разбъркани стимулации ({{0}}.45 ± 0.01) в сравнение с базовите епохи (0.67 ± {{10}}.01,p По-малко или равно на 0.00{ {29}}1) и не се различават значително от OS на контролния сигнал за бял шум (0.50 ± 0.01, p=0.99). От друга страна, 8 Hz стимулации повишават значително тета мощността (0,82 ± 0,01, p По-малко или равно на 0,0001; n=59 епохи; Фиг. 2i) в сравнение с разбърканите стимулации. Открихме също значително взаимодействие между нашите модели на стимулация и честотната лента на LFP (F10=6.467, p По-малко или равно на 0,0001). По-специално, стимулацията с разбъркана честота значително намалява тета мощността (0,341 ± 0,06 част от изходната тета мощност на лентата; p=0.0394, t-тест по двойки), докато 8 Hz стимулации значително увеличават тета мощността (3,302 ± 0,76 част от изходната тета мощност на лентата , p=0.0004, t-тест по двойки; Фиг. 2j), оставяйки други честотни ленти непроменени.

Докато нашите калциеви изображения и електрофизиологични анализи включват само периоди на движение (вижте Методи), ние също така открихме, че успяхме надеждно да премахнем (допълнителна фигура 3a, b) или да ускорим (допълнителна фигура 3a, c) тета трептения, независимо от локомоторното състояние ( включително периоди на покой). Докато естествената тета OS е свързана с локомоторната скорост (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 независими епохи; Допълнителна фигура 3d), премахването на тета доведе до загуба на такава корелация (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 независими епохи; Допълнителна фигура 3e), както и 8 Hz стимулации (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 независими епохи; Допълнителна фигура 3f), което предполага, че локомоторните състояния не отменят ефектите на оптогенетичните стимулации върху тета осцилациите.

Хипокампалните вълни с остри вълни (SWRs) играят съществена роля в консолидацията на паметта 54–56 и стимулирането на MS холинергичните неврони се свързва с намалена активност на вълните 57 и нарушена работна памет 45. Въпреки че на практика не открихме експресия на ChrimsonR в холинергичните неврони на МС, беше от съществено значение да измерим въздействието на нашата оптогенетична стимулация на МС върху физиологията на вълните. За тази цел записахме CA1-LFP и извършихме 5s ON и 5s OFF scrambledoptogenetic стимулация в свободно държащи се мишки, изследващи открито поле (допълнителна фигура 4а). Измервахме атрибутите на пулсационните събития преди и по време на разбъркана стимулация и не открихме промени в мощността (несдвоен, двустранен t-тест, t6=0.076, p=0.941; Допълнителна фигура 4b, вляво панел), честота на поява (несдвоен, двустранен t-тест, t6=−1.688, p=0.142; Допълнителна фигура 4c, ляв панел), или ширина (несдвоен, двустранен t-тест, t6=0.124, p=0.905; Допълнителна фигура 4d, ляв панел).

По същия начин, прилагането на 8 Hz оптогенетична стимулация няма забележими ефекти върху мощността на пулсации (несдвоен, двустранен t-тест, t6=0.378, p=0.718; Допълнителна фигура 4b, десен панел), честота (несдвоен, двустранен t-тест, t{{10}} −1.643, p=0.151; Допълнителна фигура 4c, десен панел) и ширина (несдвоен, двустранен t-тест, t6=−0.138,p=0.894; Допълнителна фигура 4d, десен панел). Заедно с нашите хистологични резултати и предишен доклад, че оптогенетичната стимулация на MS холинергични неврони намалява появата на SWRs57, ние откриваме, че тези оптогенетични стимулации не влияят на холинергичните постъпления към хипокампуса.

For more information:1950477648nn@gmail.com