Оптогенетично честотно разбъркване на хипокампалните тета осцилации дисоциира извличането на работната памет от хипокампалните пространствено-времеви кодове, част 2

Комбиниране на MS оптогенетична стимулация и хипокампално калциево изобразяване

За да проучим ефектите от тета манипулациите върху хипокампалните пространствени и времеви кодове, ние комбинирахме MS оптогенетична стимулация с калциево изобразяване в CA1. Тази експериментална парадигма повдига два потенциално важни въпроса: имплантите на GRIN лещи включват увреждане на тъканите, което може да промени физиологичното състояние на тета трептенията, а спектърът на дължината на вълната на възбуждащия LED, използван за възбуждане на GCaMP6f, може потенциално да се припокрива с този на опсина, разположен върху крайните влакна на GABAergic MS влакна в хипокампуса.

Хипокампусът е много важна структура в мозъка. Той е отговорен главно за съхраняването и обработката на информация от паметта. Както всички знаем, паметта е важна част от човешките интелектуални дейности и важен начин да общуваме и взаимодействаме със заобикалящата ни среда. Следователно функцията на хипокампуса е от решаващо значение за живота ни.

Хипокампалното пространство е начин да се опише как се обработва пространствената информация в мозъка ни. Отнася се до активната област на група неврони в нашия мозък, която обработва пространствена информация. Тази област се нарича парахипокампална област и е тясно свързана с морското конче. Изследванията показват, че зоната близо до хипокампуса обработва информация, свързана с пространството и паметта, и е ключова част от процеса на нашата памет.

По-конкретно, обработката на пространствена информация от хипокампуса включва главно два аспекта. Първият аспект е нашето чувство за посока и способност за навигация. Когато ходим, хипокампусът записва стъпките и позицията ни, като поддържа ориентацията ни в пространството. Ако нашият хипокампус е повреден, това може да причини проблеми като дезориентация или невъзможност да намерим пътя към дома.

Друг аспект е способността за памет. Хората използват пространствената информация, предоставена от хипокампуса, за да помогнат на хората да запомнят. Ако преживеем нещо на определено място, хипокампусът ще съхрани тази информация и можем да научим за тези преживявания или хора чрез припомняне.

Ние непрекъснато укрепваме паметта си чрез учене и хипокампусът играе решаваща роля в този процес. Поради важността на хипокампуса, трябва да обърнем внимание на неговото здраве и да го защитим чрез някои методи. Судоку, бягане, научаване на нови умения и т.н. могат да подобрят паметта ни и да защитят здравето на нашия хипокампус.

Следователно диетата, упражненията и поддържането на добър сън могат да ни помогнат да защитим хипокампуса си и да подобрим паметта си. Когато имаме ясен ум и силна памет, можем да разберем по-добре света и да създадем по-добър живот. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola може също да регулира баланса на невротрансмитерите, като например повишаване на нивата на ацетилхолин и растежни фактори. Тези вещества са много важни за паметта и ученето. Освен това месото може също така да подобри притока на кръв и да насърчи доставката на кислород, което може да гарантира, че мозъкът получава достатъчно хранителни вещества и енергия, като по този начин подобрява мозъчната жизненост и издръжливост.

Щракнете върху познайте добавките за увеличаване на паметта

За да проверим дали имплантите на GRIN лещи променят физиологията на тета, ние първо имплантирахме мишки с GRIN леща в десния хипокампус и два електрода в левия и десния хипокампус и открихме сравними тета сигнали в двете полукълба (фиг. 3а). Сравнихме тета трептенията по време на изследване на открито поле при мишки както с GRINлеща, така и с прикрепен LFP електрод, с мишки само с електроди и не открихме значителни разлики между двете групи (фиг. 3b). Не открихме значителна разлика между относителната тета мощност при мишки, имплантирани с GRIN леща и LFP електрод (0.14 ± 0.007) спрямо само електрод ( 0,154 ± 0,008; t-тест, t54=1.060, p=0.29).

Въпреки че предишни доклади описват, че комбинирането на оптогенетична стимулация на ChrimsonR в клетъчните тела с изобразяване на GCaMP инневрони в близост до терминалите е възможно с минимално кръстосано смущаване53, ние след това наблюдавахме всяко потенциално активиране на опсин на MS терминали в хипокампуса чрез записване на CA1- LFP, докато излъчва възбуждаща светлина с нашия минископ през обектив GRIN. След калибриране на изходната мощност на светлината на минископа (Фиг. 3c), не открихме ефект на синята възбуждаща светлина на минископа върху ендогенната тета мощност (1ANOVA, F(4,295)= 0.7729, p=0.5435 ; Фиг. 3d). Тъй като беше съобщено, че възбуждащата светлина от минископ може да индуцира лека деполяризация на терминали, трансфектирани с ChrimsonR53, потенциално възпрепятствайки по-нататъшна оптогенетично индуцирана деполяризация, ние след това приложихме MSoptogenetic стимулации, докато изобразяваме с ~0.3mW /mm2 мощност на светодиода на миниобхвата и успяха значително да нарушат или да ускорят тета, използвайки съответно кодирана или 8 Hz стимулация (тест на Фридман χ2=6.000,p=0.0278; Фиг. 3e) .

Нарушаването на тета ритъма модулира малка част от CA1 клетки

След това извършихме фазови (5 s ВКЛЮЧЕНИ, 5 s ИЗКЛЮЧЕНИ) оптогенетични стимулации на MS, докато записвахме CA1 пирамидални клетки, докато мишките свободно изследваха отворено поле (Фиг. 4а). Открихме, че част от записаните клетки са били постоянно възбудени при тези условия, докато други са били инхибирани (Фиг. 4b; вижте Методи). Активността на пирамидалните клетки по време на стимулации е като цяло по-ниска в сравнение с изходното ниво и за двете бъркани стимулации по време на бягане (корелация на Пиърсън, R2=0.567, p По-малко или равно на 0.0 0{{20}}1) и периоди на почивка (R2=0.521, p По-малко или равно на 0,0001), както и за 8 Hz стимулация (R{{ 14}}.6, p По-малко или равно на 0,0001 за периоди на почивка; R2=0.632, p По-малко или равно на 0,0001 за текущи периоди; n=1849 клетки, N=5 мишки; фиг. 4в). Като цяло, ~6.42 ± 0.52% от общите клетки бяха значително модулирани чрез разбъркани оптогенетични стимулации (фиг. 4d). Сред тези модулирани клетки 50,56 ± 6,38% са инхибирани, докато 49,43 ± 6,38% са възбудени (n=1849 клетки, N=5мишки; Фиг. 4e).

След това анализирахме ефектите от оптогенетичната стимулация върху пространствената настройка на невроните на хипокампа, докато мишките свободно изследваха откритото поле. За тази цел изчислихме карти на скоростта на активност, като използвахме епоха в рамките на или извън периодите на стимулация (за базовото състояние включихме епохи, които следваха същия модел 5 s ВКЛ., 5 s OFF, използван за действителна стимулация; Фиг. 4f). След това стабилността беше изчислена като корелация между картите на скоростта за базовата линия и епохите на стимулация. Въпреки гореспоменатите промени в цялостната активност, картите на скоростта не показват промяна в пространствената стабилност нито за разбъркани, нито за 8 Hz стимулации (Kruskal–Wallis H3=3.5, p=0.1773; Фиг. 4g).

Оптогенетичната стимулация на MS променя поведението, но не и пространствено-времевите кодове

За да оценим ефектите от тета разрушаването върху времеви и пространствени кодове, ние наблюдавахме активността на CA1 пирамидалния неврон върху 3-тоналната линейна писта (фиг. 5а). Тук ние използваме едно от основните предимства на калциевото изобразяване, което е способността да регистрираме записани клетки в продължение на няколко дни, докато извършваме разбъркани или 8 Hz стимулации в избрани дни (Фигури 5b, c, долен панел). Фокусирахме нашия анализ върху двойки дни със същия период от време (48 часа) между тестовете (фиг. 5c, горен панел). За всяко състояние, ние оценихме частта от общите клетки, значително кодиращи една или няколко променливи и не открихме ефект нито от 8 Hz, нито от разбъркана стимулация върху пространственото и времевото кодиране (RM-ANOVA; F2=0).807, p {{11 }}.453 за основния ефект от стимулациите; F6=1.283, p=0.285 за взаимодействието между стимулация и кодирана променлива, n=5 мишки; Фиг. 5d).

Докато частта от клетките не се промени при условията на стимулация, ние оценихме ефекта от MS стимулация върху стабилността на кривите на настройка на клетките, модулирани по място, време и разстояние. За тази цел ние проследихме неврони през дните (фиг. 5c; вижте Методи) и изчислихме стабилността на полетата за място и време като двойна корелация между полетата през 48 часа. Тъй като е известно, че CA1 показва забележимо рекартиране в продължение на дни, ние също използвахме двойка дни без стимулация, за да изчислим базов резултат за стабилност, който да се използва като референтен (фиг. 5e–g). Не открихме промяна в стабилността по време на MS стимулация за клетки, модулирани на място (1ANOVA, F2=1.907, p=0.1511; n=205 клетъчни двойки, обединени от N=5 независими мишки; Фиг. 5h), модулирани във времето клетки (1ANOVA, F2=2.201, p=0.113; n=227 клетъчни двойки, събрани от N=5независими мишки; Фиг. 5i) и модулирани на разстояние клетки (1ANOVA,F2=0.6962, p=0.5024; n=64 клетъчни двойки, събрани от N=5 независими мишки; фиг. 5j). Ние също разширихме същия анализ до конюнктивни неврони (т.е. неврони, които могат да кодират повече от една променлива; допълнителна фигура 5a–f) и не открихме ефекти от оптогенетични стимулации върху стабилността на конюнктивното пространствено (1ANOVA, F2=3.731, p=0.0661;N=4 независими мишки; Допълнителна фигура 5g), темпорална (1ANOVA,F2=1.993, p=0.8228; N {{47 }} независими мишки; Допълнителна фигура 5h) и дистанционни клетки (1ANOVA, F2=0.469, p=0.6400; N=4 независими мишки; Допълнителна фигура 5i).

След това оценихме качеството на пространствено-времевите кодове, използвайки анаивен байесов класификатор за декодиране на местоположение (фиг. 6a, b), време (фиг. 6cd) и изминато разстояние (фиг. 6e, f), използвайки произволни извадки за първоначално зареждане (n {{3 }} първоначални проби, n=160 клетки на проба). Декодираните грешки бяха системно по-ниски от разбърканите сурогати, включително по време на 8 Hz или разбъркана стимулация за местоположение (2ANOVA,F5=2172, p По-малко или равно на 0.0001; n=50 проби за стартиране от една представителна мишка; Фиг. 6a), време (2ANOVA, F5=1292, p По-малко или равно на 0,0001;n=50 проби за стартиране от една представителна мишка; Фиг. 6c) и разстояние (2ANOVA, F 5=1964, p По-малко или равно на 0,0001; n=50 първоначални проби от една представителна мишка; Фиг. 6e), което показва, че пространствено-времевите кодове са запазени по време на стимулация. За да се оцени междуиндивидуалното значение на пространствено-времевите кодове, грешката на декодиране с wez-оценка чрез използване както на действителните, така и на разбърканите резултати (вижте Методи) за даден ден, за всяка мишка (фиг. 6b, d, f). MS оптогенетичният контрол не значително променят кодирането на местоположението (1ANOVA, F2, 11=2.2332, p=0.1432; N=5 мишки; размер на ефекта η2=0.29; Фиг. 6b), време (1ANOVA, F2,11=0.4561, p=0.6452; N=5мишки; размер на ефекта η2=0.07; Фиг. 6d), или разстояние ( 1ANOVA,F2,11=0.6102, p=0.5606; N=5 мишки; размер на ефекта η2=0.09; Фигура 6f).

В поведенческата парадигма, използвана за анализиране на времевата модулация на невронната активност, мишките са планирани за вода и са обучени да събират награди. Въз основа на това предположение, ние количествено определихме броя на връщанията към празен сайт за награди като грешки и изчислихме процента на правилните опити към общия брой опити като заместител на производителността (фиг. 6g). При тези условия открихме значителен ефект от оптогенетичната стимулация върху представянето през дните (тест на Фридманχ2=6.000, p=0.0278) и по-специално значителна разлика в представянето между по време на изходното ниво (78.70 ± 2.45%) и разбъркана стимулация (44.44 ± 5.56%; множество сравнения, p=0.0429; N=3 мишки; Фиг. 6h). Само мишки с минимум 12 цикъла бяха включени в този анализ. Поради ограниченията на тази задача (ниско когнитивно натоварване и малък брой тествани мишки), ние следваме да оценим ефекта от оптогенетичната стимулация на MS при стандартизирани задачи за памет.

Прекъсването на тета сигналите уврежда пространственото разпознаване и извличането на работната памет

За да тестваме ролята на тета сигналите в пространствената памет, използвахме специална група мишки, инжектирани с ChrimsonR и имплантирани с фиброоптика в MS (фиг. 7а, ляв панел). Мишките бяха подложени на задача за разпознаване на нов обект (NPOR) (Фиг. 7а, десен панел). За да оценим ролята на тета осцилациите в кодирането и извличането на паметта, Фиг. 7|Оптогенетичните стимулации на MS нарушават поддържането и извличането, но не и кодирането на епизодичната и работната памет. a Мишките бяха имплантирани с фиброоптика в MS след трансфектиране на ChrimsonR (отгоре). След това те бяха подложени на новата задача за разпознаване на място на обект (отдолу, вижте Методи). b В тази задача, както кодирани (червени), така и 8 Hz (сини) стимулации по време на извличане, както и 8 Hz (зелени), но не кодирани (жълти) стимулации по време на кодиране, нарушиха работата на паметта (2ANOVA, F4, 31=3). 283 за основния ефект от лечението, p=0.0097; размер на ефекта за основния ефект на групата, η2p=0.306; N=12 мишки). ° С

За по-нататъшно изследване на ефекта от MS стимулацията върху кодирането на паметта, поддържането и извличането, мишките бяха обучени в задача за отложено несъвпадение с проба (DNMTS) в автоматизиран Т-лабиринт. d Мишки, трансфектирани с ChrimsonR (червено) или YFP (черно), бяха обучени (при липса на стимулация) да избират правилната, несъвпадаща ръка, докато ефективността надвиши критерий от 0.8 порции правилен избор на ден, за най-малко два последователни дни (зелена лента; RM-ANOVA, F8=8.738,p По-малко или равно на 0.0001 за основния ефект от тренировъчните дни; многократни сравнителни тестове на Tukey по двойки между групите, p=0.420; N=17 мишки). e–g Ефективност по време на стимулация в различни фази на задачата за мишки, инжектирани с ChrimonR (отгоре) или YFP контроли (отдолу). Червеното засенчване показва стимулираните области на лабиринта. e Средна дневна производителност при извършване на MS стимулации само по време на кодиране (RMANOVA, F11=2.197, p=0.547; N=17 мишки). f Средна дневна производителност при извършване на MS стимулации само през периода на забавяне от 10 s (RM-ANOVA, F11=3.483,p=0.0495; размер на ефекта за основния ефект от лечението, η2p {{ 25}}.109; N=17 мишки).g Средна дневна производителност при извършване на MS стимулации по време на само извличане (RM-ANOVA, F11=3.265, p=0.050; N { {33}} мишки).

Всички стълбови и линейни диаграми представляват средната стойност ± SEM от поне три независими експеримента. Статия https://doi.org/10.1038/s41467-023-35825-5Nature Communications|(2023) 14:410 10извърши оптогенетични стимулации специално по време на фазите на проба и тест и изчисли индекса на разпознаване (RI; вижте Методи). При стимулиране по време на извличане, производителността на паметта беше значително намалена и за двете кодирани (0.472 ± 0.048 RI, n {{10}} мишки) и 8 Hz стимулации (0.435 ± {{40}}.057 RI, n=6 мишки) групи, в сравнение с YFP контроли, които показват значително увеличение в изследването на обекти по време на тестването (0,61 ± 0,018 RI; 2ANOVA, F4, 31=3.283 за основния ефект от лечението, p=0.0097; размер на ефекта за основния ефект на групата, η2p=0.306; N {{30 }} мишки; Фиг. 7b). От друга страна, кодираните стимулации по време на кодиране не влошиха паметта по време на теста (0,60 ± 0,034 RI, p=0.0157, n=6 мишки), но 8 Hz стимулация по време на кодиране понижи производителността на паметта до случайни нива (0.39 ± 0.074 RI, p=0.8740, n=6 мишки).

За изследване на ефекта от оптогенетичния контрол на MS върху специфични фази на функцията на работната памет (кодиране, поддръжка и извличане), мишките бяха трансфектирани с ChrimsonR и имплантирани с оптични влакна в MS и обучени в задача за отложено несъвпадение с проба (DNMTS) . Във фазата на пробите мишките бяха принудени да тичат до произволно определена ръка, за да съберат награда. След забавяне (10 s), те могат или да тичат в противоположната ръка (правилен избор), за да получат друга награда, или да тичат в същата, ненаградена ръка (неправилна ръка; Фиг. 7c). Предимството на тази задача е да позволи повтарящо се тестване, специфично изолиране на фазите на задачата (обучение, забавяне, тестване) и контроли в рамките на субекта. Мишките бяха обучени на тази задача без стимулация, докато не беше достигнато изпълнение на критерия от 0.8 (част от правилни опити) за най-малко два дни. Контролните мишки ChrimsonR и YFP показват значително подобрение с течение на времето (RM-ANOVA, F8=8.738,p По-малко или равно на 0.00{{21} }1 за основния ефект от тренировъчните дни). Важно е, че не открихме разлики в скоростта на учене между двете групи (по двойки Tukey; p=0.420; Фиг. 7d). След като мишките научиха правилото, свързано със задачата DNMTS, ние оценихме ефективността, докато доставяхме или кодирани (0.792 ± 0.045) или 8 Hz (0). 850 ± 0.036) оптогенетична стимулация само във фазата на кодиране (принудителен избор) и не наблюдава никаква разлика в ефективността в сравнение с изходното ниво (0.825 ± 0.030, РМАНОВА, F11=2.197, p=0.547, N=17; Фиг. 7д). Когато са стимулирани само по време на периода на забавяне, само кодираните стимулации значително намаляват производителността на паметта (0,733 ± 0,057) в сравнение с изходното ниво (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.483, p=0.0495; размер на ефекта за основния ефект от лечението, η2p=0.109; Фиг. 7f). Обратно, когато са стимулирани по време на извличане, мишките, стимулирани с 8 Hz, показват значително намалена производителност на паметта (0,675 ± 0,049) в сравнение с изходното ниво (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.265, p=0). 050; Фиг. 7g). За разлика от тях, YFP контролните мишки не бяха повлияни от стимулации по време на кодиране (RM-ANOVA, F2=0.1314, p=0.8781), периодът на забавяне (RMANOVA, F2=0.2020, p=0.8197), или извличане (RM-ANOVA, F2=0.0454,p=0.9557; размер на ефекта за основния ефект от лечението, η2p=0 .196) на работната памет.

Оптогенетичният контрол на MS невроните не променя локомоцията

Важно е, че по-рано беше съобщено, че темпото на тета осцилациите може да намали локомоторната скорост и нейната променливост10, което би могло да обясни поне отчасти ефектите на оптогенетичните стимулации върху работната и епизодичната памет. За да оценим задълбочено спецификата на оптогенетичната стимулация на МС върху паметта, ние проведохме допълнителни експерименти, за да изключим преките ефекти на оптогенетичните стимулации върху локомоторната скорост. Подгрупа от мишки, инжектирани с ChrimsonRand, имплантирани с оптични влакна в MS, както и LFP електроди в CA1, бяха оставени да изследват свободно поле, докато бяха подложени на 5 s ВКЛ., 5 s ИЗКЛ. оптогенетични стимулации (допълнителна фигура 6а). 8 Hz стимулация доведе до последователно темпо на хипокампалните трептения до тази честота (допълнителна фигура 6b). Тези стимулации не са свързани с видима промяна в локомоторното поведение (допълнителна фигура 6c), включително средна скорост (несдвоен, двустранен ttest, t116=0.4140, p=0.6796; Допълнителна фигура. 6d) и скоростен коефициент на вариация (CV; несдвоен, двустранен t-тест, t116=0.8296,p=0.4095, n=59 епохи на стимулация; Допълнителна фигура 6e) . По същия начин, кодираната стимулация последователно води до премахване на тета колебанията (допълнителна фигура 6f), но без видими промени в локомоторното поведение (допълнителна фигура 6g), включително средната скорост (несдвоен, двустранен t-тест, t118=0).2268 , p=0.8210; n=60 епохи на стимулация; Допълнителна фигура 6h) и CV на скоростта (несдвоен, двустранен t-тест, t118=1.838, p {{36 }}.686; n=60 епохи на стимулация; Допълнителна фигура 6i).

Докато естествената тета честота и локомоторната скорост са корелирани59, точната посока на причинно-следствената връзка между тези променливи остава слабо разбрана. За да отговорим на този въпрос, ние извършихме оптогенетична стимулация, използвайки парадигма 5s ON, 5s OFF и беше избрана произволна честота за всяка епоха на стимулация (допълнителна фигура 6j). Тези честоти на стимулация покриват целия спектър на табандата (допълнителна фигура 6k). Както се очакваше, открихме, че честотите на естествените тета трептения са пряко свързани със скоростта на бягане за една примерна мишка (R2=0.1114, p По-малко или равно на 0.0001; Допълнителна фигура 6l). Важно е, че когато честотата на тета трептенията е резултат от MSoptogenetic контрол, корелацията пада под нивото на шанс (R2=0.0006779, p=0.6244; Допълнителна фигура 6m), което предполага, че движението диктува тета честотата, но не и противоположност. Ние систематично повторихме тези резултати при мишки и наблюдавахме спад в корелацията между тета честотата и локомоторната скорост при контрол на оптогенетична стимулация (сдвоен t-тест, t3=3.922, p=0.0295;N {{20 }} мишки; Допълнителна фигура 6n). Като цяло, тези резултати подкрепят, че нашата оптогенетична стимулация не променя локомоторното поведение, което е много важно за следващите поведенчески анализи.

For more information:1950477648nn@gmail.com