Оптогенетичното инактивиране на медиалния преграда уврежда формирането на паметта за дългосрочно разпознаване на обекти

Резюме

Тета е едно от най-изявените извънклетъчни синхронни трептения в мозъка на бозайниците. Hippocampaltheta разчита на непокътнат медиален септум (MS) и е последователно записван по време на фазата на обучение на някои парадигми на обучение, което предполага, че може да бъде замесен в зависимата от хипокампуса обработка на дългосрочната памет.

Обработката на паметта е важна функция в човешкия мозък. Това включва процеси като идентифициране, кодиране, съхраняване и извличане на информация. Това е важна способност в нашето ежедневие, която е тясно свързана с ученето, работата, социалното взаимодействие и други аспекти. Паметта се отнася до способността на човешкия мозък да запазва информация, което определя способността ни да се учим от минали преживявания и да ги прилагаме в бъдещи животи.

Обработката на паметта е основата за подобряване на паметта. Чрез възможностите за ефективна обработка на паметта можем по-добре да кодираме, съхраняваме и извличаме информация, като по този начин подобряваме паметта. Когато трябва да запомним част от информацията, първо трябва да идентифицираме и кодираме информацията и след това да съхраним кодираната информация в банката за дългосрочна памет на мозъка. И накрая, когато трябва да използваме тази информация, можем да я извлечем чрез извличане. Ако тези процеси се извършват ефективно, паметта ни естествено ще се подобри.

Разбира се, способността за обработка на паметта не се постига за една нощ и трябва да се подобри чрез натрупано обучение с течение на времето. Например, по отношение на идентифицирането на информация, ние можем да подобрим нашата чувствителност към информация чрез непрекъснати упражнения, за извършване на предварително разпознаване; по отношение на кодирането и съхраняването на информация, можем да подобрим ефектите на паметта, като използваме методи като дворци на паметта; По отношение на извличането на информация можем да подобрим скоростта и точността на извличане чрез многократна практика.

Накратко, обработката на паметта и паметта са неразделни. Чрез обучение и непрекъснато натрупване на опит можем да подобрим способността си за обработка на паметта, като по този начин подобрим паметта си и направим живота си по-цветен. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал с 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.

Щракнете върху Научете как да подобрите краткосрочната памет

Паметта за разпознаване на обекти (ORM) позволява на животните да идентифицират познати предмети и е от съществено значение за запомняне на факти и събития. При гризачи дългосрочното образуване на ORM изисква функционален хипокампус, но участието на MS в този процес остава спорно. Ние открихме, че обучението на възрастни мъжки плъхове Wistar в дългосрочна задача за обучение, предизвикваща ORM, включваща излагане на два различни, но поведенчески еквивалентни нови обекта на стимули, повишава мощността на хипокампалтета и че потискането на тета чрез оптогенетично инактивиране на MS причинява амнезия.

Важно е, че амнезията е специфична за обекта, който животните са изследвали, когато MS е била инактивирана. Взети заедно, нашите резултати показват, че MS е необходима за дългосрочно формиране на ORM и предполагат, че тета активността на хипокампа е причинно свързана с този процес.

Ключови думи:

Тета ритъм, амнезия, хипокампус, мозъчни трептения и дългосрочна памет.

Основен текст

Невронните трептения са повтарящи се ритмични модели на електрическа активност, които възникват спонтанно или в отговор на стимули. Teta е бавна (5–10 Hz) невролосцилация, която се среща предимно в хипокампуса, особено в областта CA1, където е по-правилна и показва максимална амплитуда [1]. Hippocampaltheta е чувствителен към лезии на медиалния септум (MS) [2] и въпреки че неговите поведенчески корелати все още не са напълно изяснени, обширни доказателства показват, че той поддържа ученето [3–5].

Наистина, тета улеснява дългосрочното потенциране на хипокампа (LTP) [6], основният клетъчен модел на зависима от хипокампуса дългосрочна памет. Паметта за разпознаване на обекти (ORM) позволява на животните да определят познаването на предметите и е жизненоважна за запомняне на събития и планиране на действия. При гризачи, обучението в ORM-базирана парадигма на обучение активира няколко свързани с пластичността сигнални пътища и индуцира LTP indorsal CA1, което показва, че хипокампусът е от съществено значение за дългосрочното формиране на ORM [7–9]. Обратно, участието на държавите членки в този процес остава спорно. Например, септални лезии, които увреждат пространствената и работната памет, не засягат дългосрочната ORM [10, 11], но MS стимулацията отслабва дългосрочния дефицит на ORM, наблюдаван при епилептични мишки, чрез увеличаване на тета активността на хипокампа [12].

Следователно, ние се заехме да анализираме дали MS-регулираната хипокампална тета наистина е свързана с дългосрочно задържане на ORM. Първо, ние определихме дали дългосрочното образуване на ORM засяга хипокампалната тета. За да направим това, ние имплантирахме електродни масиви в дорзалната CA1 област на възрастни мъжки плъхове Wistar (3 месеца, 300–350 g). Ние ги обучихме в новата парадигма за разпознаване на обекти, дългосрочна задача, предизвикваща ORM, базирана на естественото предпочитание на гризачите към новост, която включва излагане на два различни, но поведенчески еквивалентни нови обекта A и Bin, позната арена на открито за {{10} }min (фиг. 1а) [13]. Цифрова видеокамера, фиксирана над арената, беше използвана за проследяване, запис и анализ на позицията и поведението на животните със системния софтуер ObjectScan (за подробности вижте Допълнителен файл 1).

Изследователските събития бяха определени като По-големи или равни на {{0}}.5-s-дълги епохи, по време на които животните подушваха и/или докосваха стимулиращите обекти с муцуната и/или предните си лапи. Всички останали епохи с по-голяма или равна на 0,5 s индурация се считат за събития между изследването и от тях допълнително разгледахме само онези, по време на които средната скорост на движение е по-малка или равна на средната скорост на движение на всички събития на изследване. Продължителни събития< 0.5 s were excluded from the analysis. Local field potentials (LFP) were recorded continuously during the training session. Signals were amplified, digitized, filtered at cutoff frequencies of 0.3 and 250 Hz, and sampled at 1 kHz. Data from time windows corresponding to exploration and inner exploration events were extracted and analyzed often using built-in or custom-written routines (see Additional file 1 for details). As expected, the exploration time and the number of exploration events during training did not differ between objects A and B (Fig. 1b; t (5)=0.79, P=0.46 for exploration time; t (5)=1.21, P=0.28 for exploration events in paired t-test). 

Изследователската активност се наблюдава по време на тренировъчната сесия (Фиг. 1b). Тета активността също беше очевидна по време на тази сесия (Фиг. 1c), но тета мощността, която предсказва ученето [14], беше особено висока по време на изследване на обект (Фиг. 1d,e ). Наистина, анализът на спектъра на мощността показа, че мощността по време на епохите на изследване на обекта е с 36±7% по-висока, отколкото по време на периодите между изследванията (фиг. 1f, g; F (2, 10)=15.55; P{{12} }.0009. Obj A срещу IE, P=0.002, ObjB срещу IE, P=0.001 в теста за множество сравнения на Bonferroni след RM еднопосочен ANOVA).

Teta peak frequency did not differ between exploration and inter-exploration events (Fig. 1f; F (2, 10)=3.29; P=0.079 in RM one-way ANOVA). Neither the power nor the peak frequency of theta differed between object A and object B exploration epochs (Fig.  1f; Obj A vs Obj B, P>0.99 за thetapower; Obj A срещу Obj B, P=0.13 за пикова честота в теста за множество сравнения на Bonferroni след RM еднопосочен ANOVA). Един ден след обучението, дългосрочното задържане на ORM беше оценено чрез повторно излагане на животните на познат обект A и нов обект C. Както се очакваше, животните преференциално изследваха новия обект при теста (TT; Фиг. 1h; t (5){ {9}}.95, P=0.0009 в един примерен t-тест с теоретична средна стойност=50).

Нормалното функциониране на МС е от съществено значение за тета активността на хипокампа [2]. Инактивирането на МС е било използвано преди като инструмент за премахване на хипокампалната тета по време на обучение [15]. По-рано ние показахме, че стимулирането с жълта светлина (565 nm) на MS на плъхове, експресиращи оптичния невронален заглушител archaerhodopsin T (ArchT; вижте допълнителен файл 1) [16] бързо и обратимо отменя тета в дорзалния CA1 [17] . Следователно, за да се анализира участието на MS в дългосрочното формиране на ORM и да се оцени допълнително дали хипокампалната тета наистина е свързана с този процес, плъхове, експресиращи ArchT в MS, бяха обучени в новата парадигма за разпознаване на обекти, използвайки A и B като обекти на стимули и жълто светлината е доставена до MSjust по време на изследване на обект A (фиг. 1i).

Тази процедура не повлия на локомоторната активност (Фиг. 1j, k; t (39)=1.29, P=0.20 за LigthOFF срещу LightON A в несдвоен t-тест), времето за изследване на обекта (Фиг. .1l; t (39)=1.33, P=0.18 за LigthOFF срещу LightON A в несдвоен t-тест), или броя на събитията за изследване (фиг. 1l; t (39){ {16}}.93, P=0.06 за LigthOFF срещу LightON A в t-тест без чифт). Дългосрочният ORM беше оценен по време на сесия на тест за задържане в присъствието на познат обект A или познат обект B заедно с нов обект C, извършен 24-h след обучение. Открихме, че нестимулираните ArchT-експресиращи животни разграничават обекти A и B от нов обект C (фиг. 1m,n; t (10)=5).96, P<0.0001 for test AC, t (10)=7.48, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50); however, rats that had been delivered yellow light on the MS during object A exploration at training discriminated object B but not object A from novel object C at test (Fig. 1m, n; t (9)=1.38, P=0.19 for test AC, t (8)=7.30, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50).

Хипокампалната тета амплитуда зависи от скоростта на движение [18], но е малко вероятно промените в тази променлива да обяснят увеличението на тета мощността, което наблюдавахме по време на тренировка, тъй като сравнявахме само изследователски събития с междуизследователски събития, съответстващи за подобни скорости. Също така е малко вероятно амнезията, предизвикана от инактивирането на МС, да се дължи на нарушено припомняне, по-лошо представяне на обучението, свръхекспресия на оптогенетичен конструкт или вреден ефект от светлинна стимулация сама по себе си, тъй като тя е специфична за обекта, който животните изследват, когато е приложена оптогенетична супресия и доставяне на светлина не повлия на изследването на обекта. МС не само се проектира към хипокампуса, но и към предния цингуларен кортекс (ACC) [19]. Следователно, амнезията, предизвикана от MSinaktivation, потенциално може да бъде причинена от увреждането на това взаимодействие.

Въпреки това, ACC не участва в дългосрочното формиране на ORM [20] и инхибирането на проекциите на MS-ACC не засяга тази форма на памет, подобна на декларация [21]. Следователно е неправдоподобно, че нарушаването на функцията на ACC може да обясни нашите резултати, които вероятно се дължат на хипокампалното тета инхибиране. Идеята, че хипокампусът е необходим за обработка на ORM, получи широка експериментална подкрепа, но не е единодушно приета [22]. Например интрахипокампалното мускулно приложение преди тренировка засяга ORM само когато тренировъчният интервал е по-дълъг от 10 минути [23], което предполага, че хипокампусът не е необходим за краткотрайно ORM recall, че други области на мозъка поемат ролята на хипокампуса в краткосрочен термична обработка на ORM, когато тя остава дезактивирана за дълго време, или че краткосрочната и дългосрочната ORM включват независими механизми, както се съобщава за други типове памет [24].

В това отношение нашите данни показват, че хипокампусът е ключов за дългосрочно формиране на ORM и допълнително обосновават идеята, че двете дългосрочни обектни памети, придобити по време на обучението в задачата за разпознаване на нови обекти, са независими [13]. Освен това, фактът, че животните са имали амнезия само за обекта, който са изследвали, когато MS е била инактивирана, категорично показва, че тета не е просто страничен продукт на индуцирана от обучението невронна пластичност, но е функционално свързана с изчисленията, които се случват в хипокампуса по време на дългосрочно формиране на ORM.

Препратки

1. Buzsáki G. Тета колебания в хипокампуса. Neuron.2002;33(3):325–40.https://doi.org/10.1016/s0896-6273(02)00586-x.

2. Yoder RM, Pang KC. Участие на GABAergic и холинергични медиални септални неврони в хипокампалния тета ритъм. Хипокампус.2005;15(3):381–92.https://doi.org/10.1002/hipo.20062.

3. Seager MA, Johnson LD, Chabot ES, Asaka Y, Berry SD. Осцилаторни мозъчни състояния и обучение: Въздействие на хипокампалното тета-контингентно обучение. Proc Natl Acad Sci USA. 2002; 99 (3): 1616–20. https://doi.org/10.1073/pnas.032662099 (Epub 2002 г., 29 януари).

4. Düzel E, Penny WD, Burgess N. Мозъчни трептения и памет. Curr OpinNeurobiol. 2010; 20 (2): 143–9. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.01.004 (Epub 2010, 22 февруари).

5. Berry SD, Seager MA. Хипокампални тета осцилации и класическо кондициониране. Neurobiol Learn Mem. 2001;76(3):298–313.https://doi.org/10.1006/nlme.2001.4025.

6. Huerta PT, Lisman JE. Синаптична пластичност по време на холинергичните тета честотни колебания in vitro. Хипокампус. 1996; 6 (1): 58–61.https://doi.org/10.1002/(SICI)10981063(1996)6:1%3c58:AID-HIPO10%3e3.0.CO;2-J.

7. Ill-Raga G, Köhler C, Radiske A, Lima RH, Rosen MD, Muñoz FJ, CammarotaM. Консолидирането на паметта за разпознаване на обекти изисква HRI киназа-зависимо фосфорилиране на eIF2 в хипокампуса. Хипокампус. 2013; 23 (6): 431–6. https://doi.org/10.1002/hipo.22113 (Epub 2013, 18 март).

8. Myskiw JC, Rossato JI, Bevilaqua LR, Medina JH, Izquierdo I, CammarotaM. За участието на mTOR в паметта за разпознаване. NeurobiolLearn Mem. 2008; 89 (3): 338–51. https://doi.org/10.1016/j.nlm.2007.10.002(Epub 2007, 26 ноември).

9. Clarke JR, Cammarota M, Gruart A, Izquierdo I, Delgado-García JM. Пластмасови модификации, предизвикани от обработка на паметта за разпознаване на обекти. ProcNatl Acad Sci САЩ. 2010; 107 (6): 2652–7. https://doi.org/10.1073/pnas.0915059107 (Epub 2010 г., 25 януари).

10. Kornecook TJ, Kippin TE, Pinel JP. Базално увреждане на предния мозък и разпознаване на обекти при плъхове. Behav Brain Res. 1999; 98 (1): 67–76.

For more information:1950477648nn@gmail.com