Optogenetisk frekvensforvrengning av hippocampale tetaoscillasjoner dissosierer arbeidsminnehenting fra hippocampus spatiotemporale koder del 1

Den nøyaktige tidsmessige koordineringen av aktivitet i hjernen antas å være grunnleggende for hukommelsesfunksjonen. Hemmende nevroner i den mediale skilleveggen gir en fremtredende kilde til innervasjon til hippocampus og spiller en viktig rolle i å kontrollere hippocampus theta (~8 Hz) svingninger. Mens farmakologisk hemming av mediale septale nevroner er kjent for å forstyrre hukommelsen, er den nøyaktige rollen til septalhemmende nevroner i regulering av hippocampale representasjoner og hukommelse ikke fullt ut forstått.

Forholdet mellom hjerneaktivitet og hukommelse er nært beslektet. Hukommelsen vår er nært knyttet til hvordan hjernen vår fungerer, et av hovedorganene i kroppen vår som styrer hvordan vi tenker, føler og handler. Derfor, hvis vi ønsker å ha bedre minner, må vi bruke hjernen mer effektivt.

Først må vi forstå hvordan hjernen vår fungerer. Det er en del av hjernen som kalles hippocampus, som er vårt minnesenter. Den er ansvarlig for å konvertere bearbeidet informasjon til langtidshukommelse og lagre den i hjernen vår. Faktorene som påvirker funksjonen til hippocampus er hovedsakelig hjernens blodsirkulasjon og mengde og kvalitet på nerveceller.

For det andre bør vi være oppmerksomme på å holde hjernen aktiv. Ved kontinuerlig å lære nye ting, engasjerer hjernen seg i informasjonsbehandling og minnegjenkalling oftere, noe som fremmer hippocampus helse og fremmer forbedret hukommelse. Derfor kan vi holde hjernen aktiv og forbedre hukommelsen ved å lese bøker, lære språk, trene hukommelse osv.

Til slutt må vi være oppmerksomme på å opprettholde gode levevaner. For eksempel kan det å få nok søvn, spise et balansert kosthold og trene regelmessig bidra til å fremme en sunn hjerne og kropp, og dermed forbedre hukommelsen vår.

Kort sagt, hjerneaktivitet og hukommelse er nært beslektet. Vi kan fremme helse og trening av hjernen i mange aspekter, og dermed forbedre hukommelsen vår og mestre ulike utfordringer i livet og arbeidet. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår. Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen vår betydelig fordi Cistanche deserticola er et tradisjonelt kinesisk medisinsk materiale som har mange unike effekter, en av dem er å forbedre hukommelsen. Effekten av kjøttdeig kommer fra de ulike aktive ingrediensene den inneholder, inkludert syre, polysakkarider, flavonoider osv. Disse ingrediensene kan fremme hjernens helse på ulike måter.

Klikk på Kjenn korttidsminne hvordan du kan forbedre

Her dissosierer vi rollen til theta-rytmer i spatiotemporal koding og minne ved å bruke en helt optisk avhør og opptaksmetode. Vi finner at optogenetiske frekvenskrypteringsstimuleringer opphever theta-oscillasjoner og modulerer en del av nevronene i hippocampus. Slik stimulering reduserte gjenfinning av episodisk og arbeidsminne mens den etterlot hippocampus spatiotemporal kode intakt. Vår studie antyder at theta-rytmer spiller en viktig rolle i hukommelsen, men at de kanskje ikke er nødvendige for hippocampale spatiotemporale koder.

Den nøyaktige tidsmessige koordineringen av neuronal aktivitet antas å være grunnleggende for minnekoding og gjenfinning. Spesielt har det mediale septum (MS) blitt foreslått å fungere som den viktigste zeitgeber til nedstrøms strukturer og gir de største subkortikale inngangene til hippocampus1. MS er en nevrokjemisk heterogen struktur sammensatt av GABAergic2, hovedsakelig parvalbumin (PV)-positiveneuroner3, sammen med kolinerge4 og en mindre populasjon av glutamaterge nevroner5,6.

MS PV-celler projiserer direkte på GABAergicinterneuroner i hippocampus og gir opphav til feedforward-hemmende kontroll av hippocampus pyramidale celler3. I tillegg er PV interneuroner i hippocampus essensielle i pacing av theta (~8 Hz) rytmer7, og optogenetisk stimulering av MS PV nevroner direkte8,9 eller av terminalene deres10 i hippocampus er assosiert med frekvensspesifikk pacing av hippocampus oscillasjoner, mens hemming av MSin vivo har vært assosiert med redusert tetaoscillasjonskraft11–13.

Mens fullstendig MS optogenetisk hemming har vært assosiert med spatial hukommelsessvikt14, kan disse effektene potensielt tilskrives forstyrrelser av kolinerge funksjoner15,16, som er kjent for å være kritiske for hukommelsen. Mer nylig er aktiviteten til ikke-kolinerge MS PV-celler nødvendig for minnekoding og gjenfinning17,18. Spesielt er hippocampus også en kjernestruktur for episodisk19,20 og arbeids21 minne. Siden MS er avgjørende for å generere og opprettholde hippocampus theta-rytmer, vil forstyrrelse av MS-aktivitet sannsynligvis påvirke nedstrøms hippocampalfysiologi og arbeidsminne22.
Selv om de eksakte fysiologiske mekanismene til hippocampus-avhengig minne foreløpig er kjent, har det blitt foreslått at hippocampus stedsceller23 som koder for spesifikke steder i en gitt kontekst kan støtte episodicmemory24. I hippocampus-underfeltet CA1 avhenger romlig innstilling av kontekstuelle sensoriske input25. Andre variabler som tid og avstand kan også kodes under visuelt styrt bevegelse26,27, men også i fravær av sensoriske signaler28, sannsynligvis ved å bruke intern informasjon, inkludert selvbevegelse29 (se Mehta30 og McNaughton31 for gjennomgang).

Representasjoner av tid og rom kan representeres konjunktivt inhippocampale nevroner, og slike multipleksede spatiotemporale koder kan være et kandidatsubstrat for arbeidsminne 32–34. I tillegg til å klemme distale visuelle signaler ved å bruke en tredemølle35–37 eller bruke virtuelle virkelighetsparadigmer26,27,38, har spatiotemporale koder også blitt ekstrahert analytisk ved bruk av generaliserte lineære modeller som implementerer rom, tid og avstand37. Imidlertid har slike tilnærminger ikke blitt brukt i stor grad på registreringer av nevronal aktivitet under fri utforskning.

Flere studier tyder på at hippocampus theta-rytmer kan ligge til grunn for tidskoder siden theta-rytmer tett orkestrerer hippocampus aktivitet. Mens tidsceller også er rapportert i både CA1 og CA3 hos gnagere som utfører oppgaver som ikke krever arbeidsminne41, resulterer farmakologisk hemming av MS i spesifikk forstyrrelse av tid, men ikke plassceller og er assosiert med redusert arbeidsminne36. En viktig ulempe med farmakologiske tilnærminger er at de ikke skiller det relative bidraget til GABAerge celler versus kolinerge celler til minnefunksjon. Spesielt ble hemming av MS kolinerg aktivitet funnet å endre hippocampalspatiale representasjoner43 og redusere arbeidsminneytelsen44,45. Overraskende nok var farmakologisk hemming av MS assosiert med redusert theta-oscillasjonskraft, men ikke placefields46, og denne motstandskraften til stedcelleaktivitet under redusert theta skyldtes ikke erfaringsrelaterte plastisitetsmekanismer47.

Tidligere forsøk på å hemme MS GABAerge interneuroner, spesifikt ved bruk av optogenetikk, var assosiert med bare en delvis reduksjon, men ikke fullstendig forstyrrelse av theta-signalene13. I sin tur har optogenetisk pacing av theta-oscillasjon bare vært assosiert med mindre endringer i plasscellekarakteristikk, inkludert en liten forskyvning i skytefrekvens9 og fase48. I tillegg, mens det antas at MS-innganger direkte kan kontrollere hippocampus temporale koder, mangler det fortsatt årsaksbevis. Til i dag er den nøyaktige rollen til MS-PV-nevroner i orkestrering av hippocampale spatiotemporale koder og minne ukjent.

Her kontrollerte vi MS PV-aktivitet ved å bruke optogenetikk for å fremskynde eller oppheve theta-oscillasjoner ved å bruke en rødforskyvet eksitatorisk opsin. Vi foreslår en tilnærming for å fullstendig avskaffe hippocampale rytmer basert på optogenetiske frekvenskrypteringsstimuleringer av MS-nevroner. Alternativt gir pacing av theta-rytmer med deres naturlige frekvens i de samme dyrene kontroller innenfor emnet. Vi kombinerte optogenetisk kontroll med kalsiumavbildning av CA1-pyramidalceller i mus som løp på et lineært spor med sekvensielle toner.

Under disse forholdene kunne vi skille sted, tid og avstandsceller ved å bruke en informasjonsteoretisk tilnærming. Ved utførelse av optogenetisk frekvenskryptering av theta-signaler ble både sted- og tidsrepresentasjoner bevart, og bare en liten undergruppe av CA1-pyramideceller ble modulert ved stimulering. Vi fant deretter at ablasjon av thetaoscillasjon var assosiert med svekket arbeidsminneinnhenting, noe som tyder på at MS PV-celler spiller en kritisk rolle i å generere hippocampale theta-oscillasjoner som er nødvendige for minneinnhenting, men som ikke er involvert i spatiotemporale representasjoner.

Resultater

CA1 pyramideceller koder for spatiotemporal informasjon

For å undersøke de spatiotemporale kodene i store populasjoner av CA1-hovedceller, injiserte vi en viral vektor som uttrykker GCaMP6fast under en CamKII-promoter i CA1-regionen av hippocampus, implanterte aGRIN-linse over injeksjonsstedet og utførte kalsiumbildeopptak av pyramidale nevroner ved bruk av miniskoper med åpen kildekode49 ,50(fig. la, b; se tilleggsfig. 1 for detaljert histologi). Vi ekstraherte romlige fotavtrykk av nevroner (fig. 1c) og deres tilsvarende kalsiumtransienter (fig. 1d) ved hjelp av CNMFe51. For å skille de romlige og tidsmessige innstillingsegenskapene til hovedceller, utviklet vi en oppgave som kombinerer et lineært spor med tretonesignaler utløst av bevegelsessensorer i begge ender av sporet. En ny tone ble umiddelbart trigget på slutten av hvert løp, og informerte musene om deres utvikling mot belønning.

Hvert fjerde løp ble cued med en høy, kontinuerlig tone som var assosiert med levering av en belønning på slutten av det lineære sporet (fig. 1e). Den absolutte plasseringen av hver mus, sammen med tiden som har gått og tilbakelagt distanse siden avgangen fra belønningsstedet ble overvåket (fig. 1f). Usingthese variabler og binarized neuronal aktivitet, beregnet vi probabilistiske tuning kurver (fig. 1g) og avledet gjensidig informasjon (MI) mellom neuronal aktivitet og plassering, tid, samt avstanden for hver registrert celle. I motsetning til korrelasjonsbaserte analyser, antar MI ikke lineære, monotone forhold mellom nevronal aktivitet og atferdsvariabler, men uttrykker heller mengden av usikkerhet til en variabel som kan forklares av den andre.

Betydningen av MI-verdier ble testet ved å bruke stokkede surrogater som gjennomgikk sirkulære permutasjoner (n {{0}}) for å bevare temporaldynamikken til kalsiumtransienter. Nevroner som kodet utelukkende én variabel med en MI større enn stokkede surrogater 95 % av tiden (p Mindre enn eller lik 0,05) ble merket som enten stedsmodulert (romlig), tidsmodulert (temporal) eller avstandsmodulert (se Metoder). For de følgende analyser, fokuserte vi på kandidatceller som bare kodet signifikant variabel (fig. 1h). Viktigere, tidsmodulerte celler var ikke systematisk aktive på bestemte steder, og stedsmodulerte celler var ikke systematisk aktive på et gitt tidspunkt (fig. 1i, j).

Mens flertallet av cellene som koder for en enkelt variabel var stedsmodulert, var en stor del av nevronene konjunktive nevroner som kodet for mer enn én variabel (17,98 ± 1,77%). Derimot representerte cellekodested utelukkende 9.02 ± 1.61 % av den totale registrerte populasjonen, mens 1.79 ± 0.68 % selektivt kodet avstand og 1.27 ± 0.09 % selektivt kodet tid (fig. 1k; tillegg eksempler på nevroner innstilt på tid, rom eller avstand sammen med informasjonsinnholdet er vist i tilleggsfigur 2).

Selv om vår informasjonsteoretiske tilnærming kan skille ut overlappende variabler ved å isolere celler som bare koder for én variabel i vesentlig grad, testet vi videre relevansen til hver celletype ved koding av spatiotemporale variabler ved å bruke en naiv Bayesiansk klassifikator for å dekode plassering (fig. 1l–n), tiden som gikk. (Fig. 1o–q), og tilbakelagt distanse (Fig. 1r–t) på det lineære sporet52.

Vi estimerte den nåværende tilstanden til hver mus ved å beregne den maksimale a posteriori-verdien (MAP) gitt nevronal aktivitet og bootstrapped tuning-kurver beregnet ved bruk av faktisk eller sirkulært stokket binarisert aktivitet (fig. 1l, o, r; se Metoder for detaljert protokoll). Kvaliteten på spådommer ble vurdert ved bruk av forvirringsmatriser (fig. 1m, p, s) og ved å beregne euklidavstanden mellom den predikerte tilstanden og den faktiske tilstanden (fig. 1n,q, t). Viktigere er at vår Bayesianske dekoder ga en gjennomsnittlig feil på 16,58 cm, som var betydelig lavere enn ved dekoding fra stokkede surrogater (5{{10}},95 cm; paret t-test, t4=19.75 ,p Mindre enn eller lik 0.0001), og dekoding ved bruk av romlig modulerte celler var betydelig mer nøyaktig enn ved bruk av ikke-romsmodulerte celler (paret t-test, t4=34.54, p Mindre enn eller lik 0,0001; Fig. 1n). Tilsvarende var den gjennomsnittlige dekodingsfeilen for medgått tid 6,45 s, som var signifikant lavere enn feil beregnet ved bruk av stokkede surrogater (19,12 s; paret t-test, t4=18.01, p Mindre enn eller lik 0,0001).

Dekoding ved bruk av tidsmodulerte celler ga betydelig bedre nøyaktighet sammenlignet med ikke-tidsmodulerte celler (paret t-test, t4=3.163, p=0.0341;Fig. 1q) . Til slutt var den gjennomsnittlige avstandsfeilen ved bruk av dekoderen vår 61,40 cm, som var betydelig lavere enn for stokkede surrogater (189,6 cm; t-test, t4=28.79, p Mindre enn eller lik 0,0001). Dekoding ved bruk av avstandsmodulerte celler ga betydelig lavere feil sammenlignet med ikke-avstandsmodulerte celler (t-test, t4=4.595,p=0.0101; Fig. 1t).

Selektiv MS optogenetisk kontroll av theta-oscillasjoner

For å undersøke det relative bidraget til MS-genererte theta-signaler til hippocampus spatiotemporale koder, transfekterte vi den rødforskyvede eksitatoriske opsinen ChrimsonR i MS (fig. 2a). I motsetning til inhibitoriske opsiner, tillot ChrimsonR oss å enten forvrenge eller pace theta-signaler i forsøkspersoner. I tillegg er ChrimsonR mer effektivt enn det mer utbredte Channelrhodopsin-2 og gir muligheten til å kombinere optogenetikk med kalsiumavbildning53. 14,91 ± 3,57 % av PV-cellene uttrykte ChrimsonR, som vi fant tilstrekkelig til å utøve gjennomgripende kontroll over hippocampus-oscillasjoner (n=4-mus; Fig. 2b, c). Derimot fant vi praktisk talt ingen ekspresjon av ChrimsonR i ChAT-celler (1,05 ± 1,052% av ChAT-cellene uttrykte også ChrimsonR; Fig. 2d, e).

Vi implanterte deretter mus med fiberoptikk over MS. Vi utførte 638 nm laserstimulering mens vi registrerte lokale feltpotensialer (LFP) i CA1 (fig. 2f). Vi fant at MS scramblet og 8 Hz optogenetisk stimulering kunne forstyrre eller fremskynde theta-oscillasjoner, henholdsvis (fig. 2g). Mens baseline naturlig theta viser en viss frekvensvariasjon i 4–12 Hz frekvensbåndet, førte 8 Hz stimuleringer til konsistente og stabile hippocampale oscillasjoner ved den frekvensen. Derimot opphevet scramblede stimuleringer konsekvent theta-rytmer (fig. 2h).

Vi fant at oscillasjonsstyrken (OS) i thetheta-båndet (se Metoder) ble signifikant redusert av scrambled-stimuleringer ({{0}}.45 ± 0.01) sammenlignet med baseline-epoker (0.67 ± {{10}}.01,p Mindre enn eller lik 0.00{ {29}}1) og var ikke signifikant forskjellig fra OS for hvitstøykontrollsignalet (0.50 ± 0.01, p=0.99). På den annen side økte 8 Hz-stimuleringer theta-kraften signifikant (0,82 ± 0,01,p Mindre enn eller lik 0,0001; n=59-epoker; Fig. 2i) sammenlignet med krypterte stimuleringer. Vi fant også en signifikant interaksjon mellom stimuleringsmønstrene våre og LFP-frekvensbåndet (F10=6.467, p Mindre enn eller lik 0.0001). Spesielt forvrengt frekvensstimulering reduserte theta-effekten signifikant (0,341 ± 0,06 del av baseline-theta-båndeffekten; p=0.0394, parvis t-test), mens 8 Hz-stimuleringer økte theta-styrken signifikant (3,302 ± 0,76 båndeffekt av baseline theta , p=0.0004, parvis t-test; Fig. 2j) forlater andre frekvensbånd uendret.

Mens våre kalsiumavbildning og elektrofysiologiske analyser bare inkluderte perioder med bevegelse (se Metoder), fant vi også at vi var i stand til pålitelig å oppheve (Supplerende Fig. 3a, b) eller tempo (Supplerende Fig. 3a, c) theta-oscillasjoner uavhengig av bevegelsestilstand( inkludert perioder med hvile). Mens naturlig theta OS er korrelert til lokomotorisk hastighet (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 uavhengige epoker; tilleggsfigur 3d), førte avskaffelse av theta til tap av slike korrelasjon (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 uavhengige epoker; Supplerende Fig. 3e), det samme gjorde 8 Hz-stimuleringer (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 uavhengige epoker; Supplementary Fig. 3f) som antyder at bevegelsestilstander ikke overstyrte effekten av optogenetiske stimuleringer på theta-oscillasjoner.

Hippocampus skarpe bølgerusninger (SWR) spiller en viktig rolle i minnekonsolidering54–56 og stimulering av MS kolinerge nevroner har vært assosiert med redusert krusningsaktivitet57 og nedsatt arbeidsminne45. Selv om vi praktisk talt ikke fant noen uttrykk for ChrimsonR i MS kolinerge nevroner, var det viktig å måle effekten av MS-optogenetisk stimulering på krusningsfysiologi. For dette formål registrerte vi CA1-LFP og utførte 5s ON, og 5s OFF scrambledoptogenetic stimulering i fritt oppførte mus som utforsker et åpent felt (tilleggsfig. 4a). Vi målte attributter til krusningshendelser før og under kryptert stimulering, og fant ingen endringer i kraft (upared, to-halet t-test, t6=0.076, s=0.941; Supplerende Fig. 4b, venstre panel), forekomstfrekvens (upared, two-tailedt-test,t6=−1.688, p=0.142; Supplementary Fig. 4c, venstre panel), eller width(upared, two-tailed t-test, t6=0.124, s=0.905; tilleggsfig. 4d, venstre panel).

Tilsvarende hadde bruk av 8 Hz optogenetisk stimulering ingen merkbare effekter på krusningskraft (upared, to-halet t-test,t6=0.378, p=0.718; Supplerende Fig. 4b, høyre panel), frequency(upared, two-tailed t-test, t{{10}} −1.643, p=0.151; Supplementary Fig. 4c, right panel), and width (upared, two-tailed) t-test, t6=−0.138,p=0.894; Supplerende fig. 4d, høyre panel). Sammen med våre histologiske resultater og en tidligere rapport om at optogenetisk stimulering av MS kolinerge nevroner reduserer forekomsten av SWRs57, finner vi at disse optogenetiske stimuleringene ikke påvirker kolinergicinputer til hippocampus.

For more information:1950477648nn@gmail.com