Miscarea de frecvență optogenetică a oscilațiilor teta hipocampului disociază recuperarea memoriei de lucru din codurile spațiotemporale hipocampice Partea 1

Coordonarea temporală precisă a activității din creier este considerată a fi fundamentală pentru funcția memoriei. Neuronii inhibitori din septul medial oferă o sursă proeminentă de inervație a hipocampului și joacă un rol major în controlul oscilațiilor theta hipocampului (~8 Hz). În timp ce inhibarea farmacologică a neuronilor septali mediali este cunoscută că perturbă memoria, rolul exact al neuronilor inhibitori ai septului în reglarea reprezentărilor și memoriei hipocampului nu este pe deplin înțeles.

Relația dintre activitatea creierului și memorie este strâns legată. Memoria noastră este strâns legată de funcționarea creierului nostru, unul dintre principalele organe din corpul nostru care controlează modul în care gândim, simțim și acționăm. Prin urmare, dacă vrem să avem amintiri mai bune, trebuie să ne folosim creierul mai eficient.

În primul rând, trebuie să înțelegem cum funcționează creierul nostru. Există o parte a creierului numită hipocamp, care este centrul nostru de memorie. Este responsabil pentru convertirea informațiilor procesate în memorie pe termen lung și stocarea lor în creierul nostru. Factorii care afectează funcția hipocampusului sunt în principal circulația sanguină a creierului și cantitatea și calitatea celulelor nervoase.

În al doilea rând, ar trebui să acordăm atenție menținerii creierului activ. Învățând continuu lucruri noi, creierul se angajează mai frecvent în procesarea informațiilor și rememorarea memoriei, ceea ce promovează sănătatea hipocampului și promovează memoria îmbunătățită. Prin urmare, ne putem menține creierul activ și ne putem îmbunătăți memoria citind cărți, învățând limbi străine, exersând memoria etc.

În cele din urmă, trebuie să fim atenți la menținerea unor bune obiceiuri de viață. De exemplu, să dormi suficient, să mănânci o dietă echilibrată și să faci în mod regulat exerciții fizice pot ajuta la promovarea unui creier și a corpului sănătoși, îmbunătățind astfel memoria noastră.

Pe scurt, activitatea creierului și memoria sunt strâns legate. Putem promova sănătatea și antrenamentul creierului în multe aspecte, îmbunătățindu-ne astfel memoria și făcând față diferitelor provocări din viață și muncă. Se poate observa că trebuie să ne îmbunătățim memoria. Cistanche deserticola ne poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche deserticola este un material medicinal tradițional chinezesc care are multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea cărnii tocate vine din diferitele ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid, polizaharide, flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului în diferite moduri.

Faceți clic pe Cunoașteți memoria pe termen scurt cum să vă îmbunătățiți

Aici, disociem rolul ritmurilor theta în codificarea și memoria spațio-temporale folosind o abordare integrală de interogare și înregistrare. Constatăm că stimulările optogenetice de frecvență elimină oscilațiile theta și modulează o parte a neuronilor din hipocamp. O astfel de stimulare a scăzut recuperarea memoriei episodice și de lucru, lăsând intact codurile spațio-temporale ale hipocampului. Studiul nostru sugerează că ritmurile theta joacă un rol esențial în memorie, dar ar putea să nu fie necesare pentru codurile spațio-temporale hipocampale.

Coordonarea temporală precisă a activității neuronale este considerată fundamentală pentru codificarea și recuperarea memoriei. În special, septul medial (MS) s-a propus să acționeze ca principalul zeitgeber pentru structurile din aval și să furnizeze cele mai mari intrări subcorticale la hipocamp1. MS este o structură eterogenă neurochimic compusă din GABAergic2, în principal parvalbumină (PV)-neuroni pozitivi3, împreună cu colinergici4 și o populație mai mică de neuroni glutamatergici5,6.

Celulele MS PV se proiectează direct pe interneuronii GABAergici din hipocamp, dând naștere controlului inhibitor de feedforward al celulelor piramidale hipocampale3. În plus, interneuronii PV din hipocamp sunt esențiali în stimularea ritmurilor theta (~8 Hz)7, iar stimularea optogenetică a neuronilor MS PV direct8,9 sau a terminalelor lor10 din hipocamp sunt asociate cu ritmul specific al frecvenței a oscilațiilor hipocampului, în timp ce inhibarea MS in vivo. a fost asociat cu o putere redusă de oscilație theta11–13.

În timp ce inhibarea optogenetică completă a SM a fost asociată cu tulburări de memorie spațială14, aceste efecte ar putea fi atribuite perturbării funcțiilor colinergice15,16, despre care se știe că sunt critice pentru memorie. Mai recent, activitatea celulelor necolinergice MS PV este necesară pentru codificarea memoriei și regăsire17,18. În special, hipocampul este, de asemenea, o corestructură pentru memoria episodică19,20 și de lucru21. Deoarece SM este esențială în generarea și menținerea ritmurilor theta hipocampului, este probabil ca întreruperea activității SM să aibă un impact asupra fiziologiei hipocampale și a memoriei de lucru din aval22.
Deși mecanismele fiziologice exacte ale memoriei dependente de hipocamp sunt în prezent necunoscute, s-a propus că celulele locului hipocampului23 care codifică locații specifice ale unui context dat ar putea susține memoria episodică24. În subcâmpul hipocampal CA1, reglarea spațială depinde de intrările senzoriale contextuale25. Alte variabile, cum ar fi timpul și distanța pot fi, de asemenea, codificate în timpul locomoției ghidate vizual26,27 dar și în absența indiciilor senzoriali28, probabil folosind informații interne, inclusiv mișcarea de sine29 (a se vedea Mehta30 și McNaughton31 pentru revizuire).

Reprezentările timpului și spațiului pot fi reprezentate conjunctiv neuronii hipocampali, iar astfel de coduri spațio-temporale multiplexate ar putea fi un substrat candidat pentru memoria de lucru 32-34. Pe lângă fixarea indicațiilor vizuale distale folosind o bandă de alergare35–37 sau folosind paradigme de realitate virtuală26,27,38, codurile spațio-temporale au fost, de asemenea, extrase analitic folosind modele liniare generalizate care implementează spațiul, timpul și distanța37. Cu toate acestea, astfel de abordări nu au fost utilizate pe scară largă pe înregistrările activității neuronale în timpul explorării libere.

Mai multe studii sugerează că ritmurile theta hipocampului ar putea sta la baza codurilor temporale, deoarece ritmurile theta orchestrează strâns activitatea hipocampului. În timp ce celulele temporale au fost, de asemenea, raportate atât în ​​CA1, cât și în CA3 ale rozătoarelor care efectuează sarcini care nu necesită memorie de lucru41, inhibarea farmacologică a SM are ca rezultat o întrerupere specifică a timpului, dar nu a celulelor locului și este asociată cu scăderea memoriei de lucru36. Un dezavantaj important al abordărilor farmacologice este că nu disting contribuția relativă a celulelor GABAergice față de celulele colinergice la funcția de memorie. În special, sa constatat că inhibarea activității colinergice a SM modifică reprezentările spațiale hipocampale43 și scade performanța memoriei de lucru44,45. În mod surprinzător, inhibarea farmacologică a MS a fost asociată cu o putere redusă de oscilație theta, dar nu cu câmpuri de loc46, iar această rezistență a activității celulelor locului în timpul diminuării timpului nu sa datorat mecanismelor de plasticitate legate de experiență47.

Încercările anterioare de a inhiba interneuronii GABAergici MS folosind în mod specific optogenetica au fost asociate doar cu o reducere parțială, dar nu cu o întrerupere completă a semnalelor theta13. La rândul său, stimularea optogenetică a oscilației theta a fost asociată doar cu modificări minore ale caracteristicilor celulei locului, inclusiv o ușoară schimbare a frecvenței de declanșare9 și a fazei48. În plus, deși se presupune că intrările MS ar putea controla direct codurile temporale ale hipocampului, dovezile cauzale încă lipsesc. Până în prezent, rolul exact al neuronilor MS-PV în orchestrarea codurilor și memoriei spațio-temporale hipocampale rămâne necunoscut.

Aici, am controlat activitatea MS PV folosind optogenetica pentru a stimula oraboliza oscilațiilor theta folosind o opsină excitatoare deplasată la roșu. Propunem o abordare pentru abolirea completă a ritmurilor hipocampice bazate pe stimulări optogenetice de amestecare a frecvenței neuronilor SM. Alternativ, stimularea ritmurilor theta la frecvența lor naturală la aceleași animale oferă controale în interiorul subiectului. Am combinat controlul optogenetic cu imagistica de calciu a celulelor piramidale CA1 la șoareci care rulează pe o pistă liniară cu tonuri secvențiale.

În aceste condiții, am putea separa celulele de loc, timp și distanță folosind o abordare teoretică a informațiilor. Atunci când se efectuează amestecarea frecvenței optogenetice a semnalelor theta, atât reprezentările locului, cât și ale timpului au fost păstrate și doar un mic subset de celule piramidale CA1 a fost modulat prin stimulare. În continuare, am descoperit că ablația tetaoscilației a fost asociată cu recuperarea afectată a memoriei de lucru, ceea ce sugerează că celulele MS PV joacă un rol critic în generarea oscilațiilor theta din hipocamp care sunt necesare pentru regăsirea memoriei, dar nu sunt implicate în reprezentările spațio-temporale.

Rezultate

Celulele piramidale CA1 codifică informații spațiotemporale

Pentru a examina codurile spațio-temporale în populații mari de celule CA1 principale, am injectat un vector viral care exprimă GCaMP6fast sub un promotor CamKII în regiunea CA1 a hipocampului, am implantat lentilă aGRIN deasupra locului de injectare și am efectuat înregistrări imagistice cu calciu ale neuronilor piramidali folosind miniscoape open-source49. ,50 (Fig. 1a, b; vezi Fig. 1 suplimentară pentru histologie detaliată). Am extras amprentele spațiale ale neuronilor (Fig. 1c) și tranzitorii lor de calciu corespunzătoare (Fig. 1d) folosind CNMFe51. Pentru a separa proprietățile de reglare spațială și temporală ale celulelor principale, am dezvoltat o sarcină care combină o pistă liniară cu indicii cu trei tonuri declanșate de senzorii de mișcare la ambele capete ale pistei. Un nou ton a fost declanșat instantaneu la sfârșitul fiecărei curse, informând șoarecii despre progresia lor către livrarea recompensei.

Fiecare a patra rundă a fost semnalată cu un ton continuu, ascuțit, care a fost asociat cu livrarea unei recompense la sfârșitul traseului liniar (Fig. 1e). Locația absolută a fiecărui mouse, împreună cu timpul scurs și distanța parcursă de la plecarea de la locul de recompensă au fost monitorizate (Fig. 1f). Folosind aceste variabile și activitatea neuronală binarizată, am calculat curbele probabilistice de reglare (Fig. 1g) și am obținut informații reciproce (MI) între activitatea neuronală și locație, timp, precum și distanța pentru fiecare celulă înregistrată. Spre deosebire de analizele bazate pe corelație, MI nu presupune relații liniare, monotone între activitatea neuronală și variabilele comportamentale, ci exprimă mai degrabă cantitatea de incertitudine a unei variabile care poate fi explicată de cealaltă.

Semnificația valorilor MI a fost testată folosind surogate amestecate care au suferit permutări circulare (n {{0}}) pentru a păstra dinamica temporală a tranzitorilor de calciu. Neuronii care codificau exclusiv o variabilă cu un IM mai mare decât surogații amestecați 95% din timp (p mai mic sau egal cu 0,05) au fost etichetați fie modulați în funcție de loc (spațial), modulați în timp (temporal) sau modulați în funcție de distanță (vezi Metode). Pentru următoarele analize, ne-am concentrat pe celulele candidate care codifică doar o variabilă semnificativă (Fig. 1h). Este important că celulele modulate în timp nu erau active sistematic în anumite locații, iar celulele modulate în loc nu erau active sistematic la un moment dat (Fig. 1i, j).

În timp ce majoritatea celulelor care codifică o singură variabilă au fost modulate la loc, o mare parte a neuronilor au fost neuroni conjunctivi care au codificat mai mult de o variabilă (17,98 ± 1,77%). În schimb, locul de codificare a celulelor a reprezentat exclusiv 9,02 ± 1,61% din populația totală înregistrată, în timp ce 1,79 ± 0,68% a codificat selectiv distanța și 1,27 ± 0,09% timp codificat selectiv (Fig. 1k; suplimentar Exemple de neuroni adaptați la timp, spațiu sau distanță împreună cu conținutul lor de informații sunt prezentate în Fig. 2 suplimentară).

Deși abordarea noastră teoretică a informațiilor poate dezlega variabilele care se suprapun prin izolarea celulelor care codifică doar o variabilă semnificativ, am testat în continuare relevanța fiecărui tip de celulă în codificarea variabilelor spațio-temporale folosind un clasificator bayesian naiv pentru a decoda locația (Fig. 1l–n), timpul scurs. (Fig. 1o–q) și distanța parcursă (Fig. 1r–t) pe traseul liniar52.

Am estimat starea curentă a fiecărui șoarece calculând valoarea maximă a posteriori (MAP) dată de activitatea neuronală și curbele de reglare bootstrapped calculate folosind activitatea binarizată reală sau amestecată circular (Fig. 1l, o, r; vezi Metode pentru protocolul detaliat). Calitatea predicțiilor a fost evaluată utilizând matrice de confuzie (Fig. 1m, p, s) și prin calculul Euclidei și distanța dintre starea prezisă și starea reală (Fig. 1n, q, t). Foarte important, decodorul nostru bayesian a produs o eroare medie de 16,58 cm, care a fost semnificativ mai mică decât la decodarea de la surogate amestecate (5{{1{0}},95 cm; test t pereche, t4=19,75 ,p Mai mic sau egal cu 0.0001), iar decodarea folosind celule modulate spațial a fost semnificativ mai precisă decât atunci când se foloseau celule nemodulate spațial (test t pereche, t4=34,54, p Mai puțin mai mult sau egal cu 0,0001; Fig. 1n). În mod similar, eroarea medie de decodare pentru timpul scurs a fost de 6,45 s, care a fost semnificativ mai mică decât eroarea calculată folosind surogate amestecate (19,12 s; test t pereche, t4=18,01, p Mai mic sau egal cu 0,0001).

Decodificarea utilizând celule modulate în timp a dat o acuratețe semnificativ mai bună în comparație cu celulele care nu sunt modulate în timp (test t pereche, t4=3.163, p=0.0341;Fig. 1q) . În cele din urmă, eroarea medie de distanță folosind decodorul nostru a fost de 61,40 cm, care a fost semnificativ mai mică decât cea a surogatilor amestecați (189,6 cm; testul t, t4=28.79, p Mai mic sau egal cu 0,0001). Decodificarea folosind celule modulate la distanță a produs erori semnificativ mai mici în comparație cu celulele nemodulate la distanță (test t, t4=4.595, p=0.0101; Fig. 1t).

Control optogenetic MS selectiv al oscilațiilor theta

Pentru a examina contribuția relativă a semnalelor theta generate de MS la codurile spațio-temporale hipocampale, am transfectat opsina ChrimsonR de dexcitare la roșu în MS (Fig. 2a). Spre deosebire de opsinele inhibitorii, ChrimsonR ne-a permis fie să amestecăm, fie să ritmăm semnalele theta în cadrul subiecților. În plus, ChrimsonR este mai eficient decât Channelrhodopsin-2 utilizat pe scară largă și oferă capacitatea de a combina optogenetica cu imagistica de calciu53. 14,91 ± 3,57% din celulele PV au exprimat ChrimsonR, pe care l-am găsit suficient pentru a exercita un control general asupra oscilațiilor hipocampului (n=4 șoareci; Fig. 2b, c). În schimb, nu am găsit practic nicio expresie a lui ChrimsonR în celulele ChAT (1,05 ± 1,052% din celulele ChAT au exprimat și ChrimsonR; Fig. 2d, e).

Apoi am implantat șoareci cu fibră optică peste MS. Am efectuat o stimulare cu laser de 638 nm în timp ce înregistram potențialele locale de câmp (LFP) în CA1 (Fig. 2f). Am descoperit că MS a amestecat și stimularea optogenetică de 8 Hz ar putea perturba sau stimula oscilațiile theta, respectiv (Fig. 2g). În timp ce teta naturală de bază prezintă o oarecare variabilitate a frecvenței în banda de frecvență 4-12 Hz, stimulările de 8 Hz au condus la oscilații hipocampice consistente și stabile la acea frecvență. În schimb, stimulările amestecate au abolit în mod constant ritmurile theta (Fig. 2h).

Am descoperit că puterea de oscilație (OS) în banda theta (vezi Metode) a fost semnificativ scăzută de stimulările amestecate ({{0}},45 ± 0.01) în comparație cu epocile de referință. (0,67 ± {{10}}.{01,p Mai mic sau egal cu 0.00{ {29}}1) și nu au fost semnificativ diferite de sistemul de operare al semnalului de control al zgomotului alb (0,50 ± 0,01, p=0,99). Pe de altă parte, stimulările cu 8 Hz au crescut puterea theta în mod semnificativ (0,82 ± 0,01, p Mai mică sau egală cu 0,0001; n=59 epoci; Fig. 2i) în comparație cu stimulările amestecate. De asemenea, am găsit o interacțiune semnificativă între modelele noastre de stimulare și banda de frecvență LFP (F10=6.467, p Mai mic sau egal cu 0,0001). În special, stimularea cu frecvență amestecată a scăzut semnificativ puterea theta (0,341 ± 0,06 porțiune din puterea benzii theta de bază; p=0.0394, test t pe perechi), în timp ce stimulările de 8 Hz au crescut semnificativ puterea theta (3,302 ± 0,76 porțiunea puterii benzii de bază ale liniei de bază). , p=0.0004, test t perechi; Fig. 2j) lăsând alte benzi de frecvență nealterate.

În timp ce analizele noastre imagistice de calciu și electrofiziologice au inclus doar perioade de locomoție (vezi Metode), am constatat, de asemenea, că am reușit să eliminăm în mod fiabil (Fig. 3a, b) sau ritmul (Fig. 3a, c) theta, indiferent de starea locomotorie ( inclusiv perioade de odihnă). În timp ce sistemul teta natural este corelat cu viteza locomotorii (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 epoci independente; Fig. 3d suplimentară), eliminarea theta a dus la o astfel de pierdere. corelație (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 independentepochs; Suplimentar Fig. 3e), la fel ca și stimulările de 8 Hz (PearsonR{2=0.0008, p=0.714; n=177 epoci independente; Suplimentar Fig. 3f) sugerând că stările locomotorii nu au depășit efectele stimulărilor optogenetice asupra oscilațiilor theta.

Ondulurile hipocampale cu undă ascuțită (SWR) joacă un rol esențial în consolidarea memoriei54–56, iar stimularea neuronilor colinergici SM a fost asociată cu o activitate redusă a ondulației57 și cu memoria de lucru afectată45. Deși nu am găsit practic nicio expresie a lui ChrimsonR în neuronii colinergici SM, a fost esențial să se măsoare impactul stimulării optogenetice SM asupra fiziologiei ondulației. În acest scop, am înregistrat CA1-LFP și am efectuat stimularea doptogenetică scrambledoptogenetică de 5s ON și 5s OFF la șoareci care se comportă liber care explorează un câmp deschis (Figura suplimentară 4a). Am măsurat atributele evenimentelor ondulate înainte și în timpul stimulării amestecate și nu am găsit modificări în putere (test t nepereche, cu două cozi, t6=0.076, p=0.941; Fig. suplimentară 4b, stânga panou), frecvența de apariție (nepereche, test cu două cozi, t6=-1,688, p=0,142; Fig. suplimentară 4c, panoul din stânga) sau lățime (nepereche, cu două cozi t-test, t6=0.124, p=0.905; Suplimentar Fig. 4d, panoul din stânga).

În mod similar, aplicarea stimulării optogenetice de 8 Hz nu a avut efecte vizibile asupra puterii ondulației (test t nepereche, cu două cozi, t6=0.378, p=0.718; Fig. suplimentară 4b, panoul din dreapta), frecvență (nepereche, test t cu două cozi, t{{10}} -1,643, p=0,151; SuplimentarFig. 4c, panoul din dreapta) și lățime (nepereche, cu două cozi t-test, t6=−0,138,p=0,894; Fig. suplimentară 4d, panoul din dreapta). Împreună cu rezultatele noastre histologice și un raport anterior că stimularea optogenetică a neuronilor colinergici MS reduce apariția SWRs57, constatăm că aceste stimulări optogenetice nu afectează intrările colinergice la hipocamp.

For more information:1950477648nn@gmail.com