Bulbul olfactiv modulează oscilațiile cortexului entorinal în timpul memoriei de lucru spațiale

A lua legatura:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Abstract

Funcții cognitive precumlucrumemorienecesită activitate integrată între diferitele regiuni ale creierului. În special, activitatea cortexului entorrinal (EC) este asociată cu sarcina de succes a memoriei de lucru. Oscilațiile bulbului olfactiv (OB) sunt cunoscute sub numele de ritmuri care modulează activitatea ritmică în regiuni larg răspândite ale creierului în timpul sarcinilor cognitive. Deoarece OB este conectat structural la EC, am emis ipoteza că OB ar putea modula activitatea EC în timpul performanței memoriei de lucru. Aici, am explorat conectivitatea funcțională OB-EC în timpul performanței memoriei de lucru spațiale prin înregistrarea simultană a potențialelor de câmp local atunci când șobolanii au efectuat o sarcină de labirint Y. Rezultatele noastre au arătat că coerența oscilațiilor benzii delta, theta și gamma între OB și EC a fost crescută în timpul încercărilor corecte, comparativ cu studiile greșite. Analizele de cuplare a frecvenței încrucișate au arătat că efectul modulator al fazei de joasă frecvență a OB asupra puterii și fazei gamma EC a fost îmbunătățit atunci când animalele au efectuat corect o sarcină de memorie de lucru. Afluxul de informații de la OB la EC a fost, de asemenea, crescut la benzile delta și gama în cadrul încercărilor corecte. Aceste constatări au indicat că influența modulatoare a ritmurilor OB asupra oscilațiilor EC ar putea fi necesară pentru performanța de succes a memoriei de lucru.

Cuvinte cheie: bulb olfactiv, cortex entorinal,Lucrumemorie, Conectivitate funcțională

fundalLucrumemorieeste un spațiu de lucru pentru stocarea temporară și manipularea activă a informațiilor pentru luarea deciziilor în curs [1–3]. Performanța de succes a memoriei de lucru depinde de comunicarea organizată între regiunile creierului [1–3]. Cortexul entorinal (EC) este o parte a sistemului lobului temporal medial, poziționat ca o „poartă” între zonele neocorticale și hipocampulmemoriesistem[4]. S-a demonstrat că EC acționează ca un tampon temporal al informațiilor primite în hipocamp [5]. Studiile de leziune au arătat, de asemenea, că ablația EC perturbă performanța memoriei de lucru [6-8]. Prin urmare, EC este probabil esențială pentru performanța de succes a memoriei de lucru [9].

cistanche herbapentruimunitatea

Cortexul entorinal este strâns legat de bulbul olfactiv (OB); informația senzorială ajunge direct la CE din OB și ocolește talamusul, spre deosebire de alte sisteme senzoriale [10, 11]. Dendritele apicale din stratul II/III piramidal și stelat din porțiunea laterală a celulelor EC primesc proiecții din celulele mitrale ale OB [12, 13]. Pe de altă parte, oscilațiile OB și cuplarea lor cu alte regiuni ale creierului sunt corelate cu funcțiile cognitive [14, 15]. Îndepărtarea sau leziunea OB duce la tulburări cognitive, cum ar fi sarcini atenționale, memoria de referință, potrivire întârziată, memoria inversă și deficite de memorie de lucru [16-18]. S-a indicat că oscilațiile gamma scăzute ale OB sunt proeminente în timpul stării conștiente și au un rol esențial în sincronizarea circuitelor neuronale legate de memoria declarativă spațială [19, 20]. Cu toate acestea, oscilațiile high-gamma ale OB sunt mai periodice în timpul explorării spontane într-un mediu nou [20]. Deoarece activitatea OB și EC contribuie la funcția memoriei, se pare că interacțiunea dintre oscilațiile OB și EC poate juca un rol în performanța de succes a memoriei de lucru. Până în prezent, nu este disponibil niciun studiu care să evalueze conectivitatea funcțională între OB și EC în timpul performanței memoriei de lucru.

Investigațiile electrofiziologice au demonstrat că conectivitatea funcțională în regiunile creierului poate fi esențială pentru comportamentele cognitive [21]. Cuplarea oscilativă între zonele disparate ale creierului facilitează comunicarea interregională, esențială pentru procesarea informațiilor în timpul unui comportament [22]. În mod specific, cuplarea cu frecvență încrucișată (CFC) este considerată codarea optimă care sprijină transferul de informații în timpul unei performanțe cognitive, inclusiv memoria de lucru [22, 23]. Prin urmare, puterea cuplării funcționale dintre regiunile creierului poate reprezenta un cod cerebral de activare a circuitului de memorie.

cistanche bienfaitspentruimunitate

Morteza Salimi1, Farhad Tabasi1,2, Milad Nazari3, Sepideh Ghazvineh1, Alireza Salimi4, Hamidreza Jamaati4 și Mohammad Reza Raoufy1,2

Departamentul de Fiziologie, Facultatea de Științe Medicale, Universitatea Tarbiat Modares, Teheran, Iran

În total, am emis ipoteza că oscilațiile OB coordonează activitatea EC, care mediază performanța memoriei de lucru. Am investigat conectivitatea funcțională OB-EC în timpul sarcinii de memorie de lucru prin înregistrarea simultană a potențialelor de câmp local (LFP) atunci când șobolanii s-au alternat spontan în labirintul Y. Coerența circuitului OB-EC a fost calculată pentru a evalua conectivitatea funcțională specifică frecvenței atunci când șobolanii au efectuat sarcina de memorie de lucru. Zece, am abordat efectul modulator al fazei de joasă frecvență OB asupra fazei și puterii de înaltă frecvență EC folosind analize CFC. În cele din urmă, afluxul de informații de la OB la EC este măsurat cu cauzalitatea Granger.

Metode

Acest experiment a fost efectuat pe șobolani Wistar masculi fără patogeni care cântăresc 210-230 g (9-10 săptămâni) obținuți de la casa de animale de la Universitatea Tarbiat Modares (Teheran, Iran). Șobolanii au fost ținuți în unități standard de cercetare pe animale, în care erau disponibile hrană și apă. Pentru implantarea electrozilor, anestezia a fost indusă folosind ketamina/xilazină (100 mg/kg și, respectiv, 10 mg/kg), iar capul a fost fixat. Apoi, doi electrozi de înregistrare din oțel inoxidabil (127 µm în diametru, AM system Inc., SUA) implantați în OB (AP: 8,5 mm, ML: - 1 mm, DV: - 1,5 mm) și porțiunea laterală a EC ( AP: − 7,04 mm; L: − 5,5 mm; DV: − 6,5 mm). Pentru a confirma locația electrodului, a fost făcută leziunea în locul electrodului, creierul animalului a fost fixat cu 4% paraformaldehidă și a fost pregătită o secțiune coronală de 200 μm a creierului. Feliile de creier au fost comparate cu feliile de potrivire vizual în atlasul creierului de șobolan (Fig. 1b) [24].

După 2 săptămâni de recuperare de la intervenție chirurgicală, pentru înregistrarea semnalelor LFP, priza înainte a fost fixată pe capetele animalelor, care a fost conectată la stadiul miniatural al capului tampon cu impedanță de intrare mare (BIODAC-A, TRITA Health Tec., Teheran, Iran). Semnalele au fost amplificate (câștig de amplificare 1000), digitizate la 1 kHz și filtrate trece-jos.<250 hz="" via="" ac="" coupled="" with="" the="" recording="" system="" (biodac="" esr18622,="" trita="" health="" technology="" co.,="" tehran,="" iran).="" ten,="" we="" recorded="" lfp="" signals="" simultaneously="" from="" ob="" and="" ec="" of="" rats="" spontaneously="" alternating="" in="" the="" y-shaped="" maze.="" te="" signals="" are="" processed="" offline="" using="" custom-written="" matlab="" software="" (math="" works="" inc.,="">

Pentru sarcina de memorie de lucru spațială a fost ales un labirint de plexiglas negru în formă de Y cu 50 cm lungime, 10 cm lățime și 25 cm înălțime. Animalele au fost obișnuite timp de 2 zile consecutive în labirint. Apoi, animalele au fost plasate individual în centrul unui braț, denumit în continuare braț A, permițându-le să exploreze liber timp de 10 minute. Alternanțele spontane au fost numărate conform protocolului anterior de evaluare de lucru [25]. Pe scurt, performanța corectă a fost definită ca alternarea animalelor la un nou braț (adică, vizita de la A la B sau C, care sunt desemnate pentru celelalte brațe, respectiv). În plus, se consideră că încercările greșite se deplasează înapoi la un braț experimentat anterior, cum ar fi mișcarea ABA. Toate mișcările au fost înregistrate cu o cameră video montată pe tavan, care a fost sincronizată cu înregistrarea LFP. Șobolanii cu electrozi deplasați greșit sau care nu au putut îndeplini sarcina au fost excluși din studiu. Toate procedurile au fost în conformitate cu Ghidul NIH pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator (2011) și aprobate de Comitetul de etică al Facultății de Științe Medicale, Universitatea Tarbiat Modareș (IR.MODARES.REC.1398.037).

Procesare a semnalului

Am folosit o anumită epocă a semnalelor înregistrate în timpul performanței memoriei de lucru spațiale în labirintul Y. Fiecare epocă a fost selectată cu 1 s înainte și în timpul explorării animalelor a centrului labirintului, atât pentru încercări corecte, cât și greșite. Am identificat delta (<4 hz),="" theta="" (4–12="" hz),="" low-gamma="" (30–50="" hz),="" and="" high-gamma="" (50–80="" hz)="" via="" applying="" low-="" and="" bandpass="" filtering="" (fig.="" 1a).="" to="" calculate="" ob="" and="" ec's="" coherence,="" computed="" magnitude-squared="" coherence="" by="" the="" mscohere="" function="" in="" matlab="" was="" used.="" phase-power="" analysis="" was="" done="" by="" first="" obtaining="" the="" lfp="" phase="" by="" computing="" hilbert's="" transform="" phase="" of="" the="" filtered="" signal="" in="" low="" frequencies="" (delta="" and="" theta)="" bands="" and="" gamma="" power="" calculated="" using="" the="" spectrogram="" with="" one="" sample="" time="" step.="" ten,="" we="" binned="" the="" low-frequency="" phases="" into="" 120="" bins,="" each="" 3°="" wide,="" and="" the="" average="" power="" of="" gamma="" samples="" was="" calculated="" in="" each="" bin.="" coupling="" strength="" was="" expressed="" as="" the="" resultant="" length="" vector,="" which="" was="" the="" average="" of="" power="" vectors="" in="" the="" low-frequency="" phases.="" finally,="" to="" soften,="" we="" used="" the="" gaussian="" kernel="" with="" a="" standard="" deviation="" of="" 10="" and="" a="" size="" of="" 100="" [26,="">

Cuplarea fază-fază a fost calculată conform studiului nostru recent [28]. Pe scurt, calculăm o matrice al cărei element (i, j) reprezintă raportul dintre numărul total de eșantioane de timp pe care faza OB la oscilații de joasă frecvență (delta și theta) sunt plasate la bin-ul unghiular numărul I simultan cu o fază de Frecvențe înalte EC (gama 1 și 2) în bin unghiular al numărului j. Pentru a evalua afluxul de informații de la OB la EC, am măsurat indicele de cauzalitate Granger. Această analiză se bazează pe ideea că oscilațiile dintr-o regiune a creierului ajută la prezicerea altora [29]. În acest sens, am aplicat metoda coerenței parțiale direcționate (PDC), presupunând că cunoașterea trecută a „cauzei” a îmbunătățit predicția stării prezente a „efectului”, spre deosebire de predicția, care folosește doar efectele trecute. Am examinat mai întâi staționaritatea tuturor semnalelor și am estimat ordinea modelului autoregresiv (p=100) folosind criteriul de informare al lui Akaike pentru a calcula PDC. Apoi, prin calcularea coeficienților modelului autoregresiv, am transferat coeficienții în domeniul frecvenței folosind transformata Fourier discretă [30–35].

cistanche disfuncție erectilăînimunitate

analize statistice

GraphPad Prism (GraphPad Software, San Diego, CA) a fost utilizat pentru analizele statistice. Normalitatea distribuției datelor a fost evaluată cu testul Kolmogorov-Smirnov în cadrul fiecărui parametru. Testul t pereche a fost utilizat pentru compararea datelor. Semnificația statistică a fost definită ca niveluri mai mici de 0,05.

Rezultate

Oscilațiile OB sunt coerente cu EC în timpul încercărilor corecte de performanță a memoriei de lucru spațiale

Am înregistrat simultan LFP de la OB și EC în timpul alternării spontane în labirintul Y pentru a studia conectivitatea circuitului OB-EC în performanța memoriei de lucru spațiale. Am observat că coerența OB-EC în intervalul delta și theta în timpul încercărilor corecte a fost semnificativ mai mare decât în ​​studiile greșite (p<0.05; fig.="" 2a–c).="" in="" addition,="" the="" coherence="" of="" gamma="" 1="" (30–50="" hz)="" and="" gamma="" 2="" (50–80="" hz)="" oscillations="" of="" the="" ob–ec="" circuit="" was="" significantly="" higher="" during="" correct="" spatial="" working="" memory="" performance=""><0.05, fig.="" 2d–f).="" therefore,="" the="" enhanced="" coherence="" at="" both="" low="" and="" high="" frequencies="" in="" the="" ob–ec="" circuit="" is="" associated="" with="" correct="" spatial="" working="" memory="">

Faza OB modulează puternic puterea și faza EC în timpul performanței corecte a memoriei de lucru

Am observat că faza ambelor oscilații delta și theta în OB modulează puternic puterea gamma în EC în timpul încercărilor corecte (Fig. 3). Cuplarea fazelor de frecvență joasă OB cu fazele gamma-2 EC a fost semnificativ crescută incorect în comparație cu studiile greșite (Fig. 4). Cu toate acestea, nu au fost găsite modificări vizibile în blocarea fazei OB-EC delta sau theta gamma-1 în timpul încercărilor corecte versus greșite. În general, această analiză a arătat că oscilațiile gamma EC depind de tranziția de fază a semnalelor OB atunci când animalele au efectuat corect sarcina de memorie de lucru.

Afluxul de informații de la OB la EC a crescut în timpul performanței corecte a memoriei de lucru

În plus, am investigat dacă oscilațiile EC sunt legate cauzal de semnalele OB, în timp ce animalele au efectuat sarcina de memorie de lucru spațială. Analiza de cauzalitate Granger a arătat că afluxul de informații de la OB la EC la oscilațiile gamma a crescut atunci când șobolanii au realizat performanța corectă în cadrul sarcinii de memorie de lucru (Fig. 5). Aceste rezultate susțin ideea că OB nu este doar modulatoare, ci are și un efect casual asupra EC în timpul performanței corecte a memoriei de lucru.

Discuţie

Rezultatele noastre au arătat că coerența OB-EC a crescut în benzile delta, theta și gamma în timpul încercărilor corecte de sarcini de memorie spațială de lucru. Mai mult, faza de frecvențe joase OB a avut un efect mai modulator asupra puterii gamma EC și fazei în timpul performanței cu succes a memoriei de lucru. În plus, afluxul de informații de la OB la EC a fost îmbunătățit atunci când animalele au efectuat corect sarcina de memorie de lucru.

Activitatea coerentă este un semn distinctiv al rețelelor neuronale în timpul performanței cognitive, care necesită cuplarea structurală a neuronilor [36]. Având în vedere că OB și EC au conexiuni monosinaptice și activitățile lor sunt în mare măsură legate de memoria de lucru, am presupus că conectivitatea îmbunătățită în circuitul OB-EC ar putea reprezenta performanță corectă. Pentru a testa această ipoteză, am evaluat conectivitatea funcțională OB-EC atunci când șobolanii executau sarcina Y-labirint. Analiza noastră a arătat că oscilațiile OB atât la frecvența joasă, cât și la cea înaltă sunt puternic coerente cu activitatea EC atunci când șobolanii au răspuns corect. S-a raportat că oscilațiile coerente la intervale de frecvență joasă, inclusiv delta și theta, mediază interacțiunea dintre zonele creierului în sarcini cognitive la scară largă, cum ar fi performanța memoriei [37, 38]. În plus, s-a considerat că oscilațiile coerente la frecvență înaltă leagă ansamblurile neuronale distribuite, o funcție care este probabil importantă pentru procesele de rețea [39-41]. Aici, constatările privind coerența indică o comunicare strânsă dintre OB și EC pentru a promova performanța memoriei de lucru.

Există tot mai multe dovezi care demonstrează că activitatea OB antrenează oscilații LFP în regiuni larg răspândite ale creierului rozătoarelor [42]. În continuare, constatările noastre au reprezentat o puternică coerență; ne întrebăm apoi dacă performanța corectă a memoriei de lucru este codificată prin modularea oscilațiilor EC prin activitatea OB. Interesant, rezultatele analizei noastre de cuplare fază-putere OB-EC au arătat că cuplarea delta-gamma și teta-gamma sunt semnificativ mai mari în timpul încercărilor corecte. Mai mult, fazele OB delta și theta au modulat faza fie a oscilațiilor de bandă gamma joase și înalte în EC în timpul memoriei de lucru spațiale, iar valoarea unei astfel de modulații a crescut în timpul performanței corecte. Aceste constatări sunt în concordanță cu studiile anterioare care au sugerat că CFC în regiunile creierului joacă un rol funcțional în calculul neuronal, comunicare și învățare [43-45].

Foarte important, se poate sugera că oscilațiile gama din formarea hipocampului, care contribuie la performanța memoriei, pot fi modulate de ritmul OB. Sa raportat anterior că oscilațiile gamma din hipocamp constau din două componente de frecvență distincte (gama joasă și înaltă). Mai exact, gama înaltă în hipocamp crescută din EC, se crede că oscilațiile gamma scăzute sunt generate din surse intrinseci [46, 47]. Rezultatul nostru a arătat că oscilațiile în EC laterală, care este reciproc conectată cu OB prin proiecții directe [12, 13] sunt conduse de la OB atunci când animalele au efectuat memoria de lucru pentru prima dată. Prin urmare, oscilațiile OB prin modularea EC pot afecta activitatea gama din hipocamp, contribuind la performanța de succes a memoriei de lucru. Cu toate acestea, sunt necesare studii suplimentare pentru a înțelege mai bine mecanismele OB în oscilațiile creierului și performanța comportamentală.

cistamchedespreimunitate

În timp ce oscilațiile de înaltă frecvență reprezintă procesarea corticală locală, ritmurile de joasă frecvență se pot antrena în mod dinamic în regiunile distribuite ale creierului [47]. CFC constituie un mecanism de transfer de informații în circuitele creierului care operează la performanța comportamentală [47]. Aceste observații confirmă ipoteza noastră că OB poate coordona EC în timpul performanței memoriei de lucru.

O întrebare interesantă este cum OB conduce aceste efecte? Răspunsul posibil este un driver intern în OB care generează și facilitează ritmurile cerebrale atât locale, cât și pe distanțe lungi. La mamifere, OB exprimă oscilații neuronale proeminente [48, 49], care se arată că sincronizează activitățile neuronale ale rețelelor cerebrale [50]. Aceste oscilații sunt generate în timpul respirației nazale prin stimularea neuronilor senzoriali olfactivi (OSN) [51]. Oscilațiile neuronale olfactive care sunt blocate în faze la ciclurile de respirație, numite oscilații cerebrale antrenate de respirație [12], ajung în zone îndepărtate [52, 53] și modulează activitatea ritmică în regiunile non-olfactive [54]. Prin urmare, aceste ritmuri sincronizează oscilațiile OB cu zonele de distanță lungă, în special în timpul unei performanțe cognitive [42]. De exemplu, s-a raportat că OB și hipocampul s-au sincronizat la oscilația theta în timpul performanțelor cognitive [55, 56].

Mai mult, s-a presupus că oscilațiile delta crescute în timpul unei sarcini de memorie de lucru spațială în mPFC, VTA și hipocamp [57] sunt antrenate de ritmul respirației [42]. Cu toate acestea, pentru prima dată, rezultatele prezentei lucrări au arătat că oscilațiile OB pot modula activitățile EC în timpul performanței memoriei de lucru. Explicația noastră pentru aceste observații este că OSN-urile prin respirația nazală pot coordona oscilațiile OB, iar apoi OB conduce schimbările în zone îndepărtate, inclusiv EC. S-a demonstrat că OSN-urile au funcții duble care răspund nu numai la stimulul chimic (miros), ci și sunt activate de fluxul de aer nazal [51]; prin urmare, este probabil ca oscilațiile OB să fie generate cu un flux de aer fără miros prin stimularea mecanică OSN [51, 58]. Pe lângă respirație, alte informații senzoriale introduse pot afecta și conectivitatea în circuitul OB-EC [59, 60]. De exemplu, datele experimentale au confirmat că expresia reprezentărilor specifice mirosului în EC este necesară pentru a ghida navigarea în timpul performanței de succes a memoriei asociative [59]. Mai mult, adulmecarea ca input senzorial principal în timpul unei performanțe cognitive a fost, de asemenea, asociată cu oscilațiile hipocampului în timpul învățării [55]. Cu toate acestea, sunt necesare mai multe studii pentru a descoperi mecanismul de bază în care OB modulează EC în timpul performanței memoriei de lucru.

S-a demonstrat anterior că oscilațiile OB cauzează ritmul hipocampusului [61]. Prin urmare, am presupus în continuare că activitatea EC este coerentă și modulată cu oscilațiile OB, dar oscilațiile EC sunt, de asemenea, legate cauzal de activitatea OB. În studiul curent, calculul cauzalității Granger a demonstrat că creșterea afluxului de informații de la OB la EC este asociată cu performanța corectă a memoriei de lucru. Aceste dovezi, în concordanță cu celelalte constatări ale noastre, susțin un model în care OB trimite informații către EC care pot fi esențiale pentru performanța de succes în timpul memoriei de lucru.