Del 1: En dopamingradient kontrollerer tilgangen til distribuert arbeidsminne i den store apebarken

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Sean Froudist-Walsh, 1 Daniel P. Bliss, 1 Xingyu Ding, 1 Lucija Rapan, 2 Meiqi Niu, 2 Kenneth Knoblauch, 3,4 Karl Zilles, 2,8 Henry Kennedy, 3,4,5,7 Nicola Palomero-Gallagher ,2,6,7 og Xiao-Jing Wang1,7,9,*

1Center for Neural Science, New York University, New York, NY 10003, USA

2 Forskningssenter Julich, INM-1, Julich, Tyskland

3 INSERM U846, Stamcelle- og hjerneforskningsinstitutt, 69500 ​​Bron, Frankrike

4 Universite´ de Lyon, Universite´ Lyon I, 69003 Lyon, Frankrike

5 Institute of Neuroscience, State Key Laboratory of Neuroscience, Chinese Academy of Sciences (CAS), Key Laboratory of Primate Neurobiology CAS, Shanghai, Kina

Klikk her for del 2

SAMMENDRAG

Dopamin er nødvendig forArbeidsminne, men hvordan det modulerer storskala cortex er ukjent. Her rapporterer vi at dopaminreseptortetthet per nevron, målt ved autoradiografi, viser en makroskopisk gradient sammen med det makake kortikale hierarkiet. Denne gradienten er innlemmet i en connectom-basert storskala cortex-modell utstyrt med flere nevrontyper. Modellen fanger opp en omvendt U-formet avhengighet avArbeidsminnepå dopamin og romlige mønstre av vedvarende aktivitet observert i over 90 eksperimentelle studier. Dessuten viser vi at dopamin er avgjørende for å filtrere ut irrelevante stimuli ved å øke hemming fra dendrit-målrettede interneuroner. Vår modell avslørte at et aktivitets-stille minnespor kan realiseres ved å tilrettelegge for inter-arealforbindelser og at justering av kortikalt dopamin induserer en overgang fra denne interne minnetilstanden til distribuert vedvarende aktivitet. Arbeidet vårt representerer en forståelse på tvers av nivåer fra molekyler og celletyper til tilbakevendende kretsdynamikk som ligger til grunn for en kognitiv kjernefunksjon fordelt over primatbarken.

Cistanche kan forbedre hukommelsen

INTRODUKSJON

Vår evne til å tenke gjennom vanskelige problemer uten distraksjon er et kjennetegn på kognisjon. Når vi står overfor en konstant strøm av informasjon, må vi ha viss informasjon i tankene og beskytte den mot distraksjon. For eksempel, når du er på supermarkedet og leter etter favorittsmøret ditt, er det viktig å huske på dens karakteristiske gyldne emballasje og ikke bli distrahert av de mange andre meieriproduktene. Denne hjernefunksjonen kallesArbeidsminne. Arbeidsminne involverer ofte vedvarende nevral aktivitet som er spesifikk for informasjonen som må huskes. Denne mnemoniske aktiviteten opprettholdes internt over flere kortikale og subkortikale områder i fravær av ekstern stimulering (Funahashi et al., 1989; Fuster og Alexander, 1971; Guo et al., 2017; Leavitt et al., 2017; Mejias og Wang, 2021; Men-doza-Halliday et al., 2014; Murray et al., 2017; Romo et al., 1999; Romo og Salinas, 2003; Vergara et al., 2016; Wang, 2001; Zhang et al., 2019 ).

Arbeidsminneog den prefrontale cortex er under påvirkning av monoaminerg modulering (Goldman-Rakic, 1995; Robbins og Arnsten, 2009). Faktisk forårsaker uttømming av dopamin fra den prefrontale cortex og fullstendig ablasjon av den prefrontale cortex lignende arbeidsminnesvikt (Brozoski et al., 1979). Dopamin modulerer kortikal aktivitet gjennom reseptorene. D1-reseptorer er den tettest uttrykte dopaminreseptortypen i cortex. Prefrontal nevronaktivitet under arbeidsminne avhenger av nøyaktige nivåer av aktivering av D1-reseptorer, med for lite eller for mye D1-stimulering som forstyrrer aktiviteten i forsinkelsesperioden (Vijayraghavan et al., 2007; Wang et al., 2019). Imidlertid er tettheten av D1-reseptorer bare kjent for relativt små deler av apebarken (Goldman-Rakic ​​et al., 1990; Impieri et al., 2019; Lidow et al., 1991; Niu et al., 2020; Richfield et al., 1989). På grunn av mangelen på områder analysert på tvers av studier, er det ikke klart om variasjonen i D1-reseptortettheter på tvers av kortikale områder representerer tilfeldig heterogenitet eller en systematisk gradient av kortikal dopaminmodulering.

Dopaminreseptorer uttrykkes også forskjellig på tvers av ulike typer hemmende nevroner (Mueller et al., 2018, 2020). Distinkte hemmende celletyper fokuserer først og fremst sin inhibering på dendrittene eller somata av pyramidale celler eller på andre hemmende nevroner (Jiang et al., 2015; Tremblay et al., 2016). Gjennom sine forskjellige effekter på distinkte interneuroner, reduserer dopamin hemming av somata av pyramidale celler og øker hemming av dendrittene (Gao et al., 2003). En tidlig teoretisk studie foreslo at hemming rettet sterkere mot dendrittene og bort fra somata av pyramidale celler kunne øke motstanden til arbeidsminnet mot distraksjon (Wang et al., 2004a). Den funksjonelle betydningen av dopamins differensielle effekter på distinkte hemmende nevrontyper er ennå ikke undersøkt.

I dette arbeidet tok vi fatt på to åpne spørsmål. For det første, hvordan modulerer dopamin distribuertArbeidsminnepå tvers av et multiregionalt storskala kortikalt system? For det andre, i lys av vektleggingen av celletyper i moderne kortikal fysiologi, bidrar dopamin til robust arbeidsminne mot distraktorer i kraft av differensielle effekter på forskjellige nevronklasser? For å løse disse spørsmålene utførte vi kvantitativ kartlegging av dopamin D1-reseptortettheter over 109 kortikale områder ved å bruke in vitro autoradiografi og konstruerte en storskala beregningsmodell av makakebarken som er i stand til å utføre arbeidsminneoppgaver. Modellen er bygget ved hjelp av retrograd traktatsporing-tilkoblingsdata og inkluderer gradienter av D1-reseptorer og eksitatoriske synapser. Dessuten, så vidt vi vet, er dette den første storskala cortex-modellen utstyrt med tre undertyper av hemmende nevroner. Resultatene våre antyder at avfyring av dopaminnevroner kan engasjere distraktor-resistent, stimulusselektiv, vedvarende aktivitet på tvers av flere hjerneregioner som svar på atferdsmessig relevante stimuli. Videre utvider vi, fra et lokalt område til den multiregionale cortex, en aktivitetsstille mekanisme som har blitt foreslått for visse former for korttidsminnespor uten vedvarende aktivitet (Mongillo et al., 2008; Rose et al., 2016; Wolff et al., 2017). Vi fant at dette scenariet hovedsakelig er avhengig av kortsiktig tilrettelegging av inter-arealforbindelser, men klarer ikke å motstå distraktorer. Forbedret dopaminmodulering kan konvertere et internt minnespor til en aktiv vedvarende aktivitetstilstand som er nødvendig for å filtrere ut distraktorer. Derfor bidrar våre funn til å løse dagens debatt om de to kontrasterende scenariene som bidrar tilArbeidsminne(Constantinidis et al., 2018; Lundqvist et al., 2018; Wa-Tanabe og Funahashi, 2014) og under hvilke forhold hver mekanisme er implementert (Barbosa et al., 2020; Masse et al., 2019; Trbutschek et al. , 2019).

RESULTATER

En hierarkisk gradient av dopamin D1-reseptorer per nevron over apebarken

Vi analyserte først D1- og D2-reseptorfordelingsmønstre gjennom makakhjernen ved å bruke in vitro-reseptorautoradiografi (figur S1). Autoradiografi muliggjør kvantifisering av endogene reseptorer i cellemembranen ved bruk av radioaktive ligander (Niu et al., 2020; Palomero-Gallagher og Zilles, 2018; Rapan et al., 2021). De høyeste tetthetene (i fmol/mg protein) av begge reseptortypene ble funnet i basalgangliene, med caudatkjernen (D1, 298±28; D2, 188±30) og putamen (D1, 273±40; D2, 203 ±37) med betydelig høyere verdier enn de interne (D1, 97±34; D2, 22± 12) eller eksterne (D1, 55±16; D2, 30±11) underavdelinger av globus pallidus. Rå kortikale D1-reseptortettheter varierte fra 49± 13 fmol/mg protein i område 4a av den primære motoriske cortex til 101±35 fmol/mg protein i orbitofrontalt område 11l (Figur 1A).

Tettheten av D2-reseptoren i cortex er så lav at den ikke kan påvises med metoden som brukes her.

For å sammenligne gradienten til D1-reseptorer med andre kjente gradienter av anatomisk organisering i apebarken, kartla vi nøye reseptordataene (figur 1A) samt data om nevrontetthet (figur 1B; Collins et al., 2010) og antall ryggrad. (Figur 1C; Elston, 2007) på Yerkes19 vanlige kortikale mal, som anatomiske sporingsdata (Figur 1D, i) har blitt kartlagt tidligere (Donahue et al., 2016). Her inkluderer vi retrograd sporingsdata fra 40 regioner, kvantifisert ved hjelp av samme protokoll som i tidligere publikasjoner (Markov et al., 2014b). Dette utvider antallet injiserte kortikale områder med 33 prosent , med tilkoblinger til områder 1, 3, V6, F4, F3, 25, 32, 9, 45A og OPRO (orbital proiso cortex) nå inkludert i databasen (kan lastes ned fra kjernen) -nets.org). Vi estimerte det kortikale hierarkiet ved å bruke laminære tilkoblingsdata (Figur 1D, ii; STAR Methods; Markov et al., 2014a), og utvidet tidligere beskrivelser av det kortikale hierarkiet basert på færre regioner (Markov et al., 2014a; Mejias et al., 2016). Et endimensjonalt hierarki er sannsynligvis en overforenkling av den kortikale tilkoblingsstrukturen. Fordi vi har tilkoblingsdata for to distinkte sensoriske modaliteter, beregnet vi også en sirkulær innebygging av tilkoblingsdataene, med radiell avstand fra kanten som representerer den hierarkiske posisjonen og vinkelavstanden mellom punktene som representerer det inverse av deres tilkoblingsstyrke (Chaudhuri et al., 2015). I denne sirkulære representasjonen kan separate visuelle og somatosensoriske hierarkier tydelig bli verdsatt, med assosiasjonsregioner som faller i vinkler utenfor de viktigste sensoriske hierarkiaksene (figur 1E).

For å lette funksjonell tolkning, delte vi D1-reseptortetthet etter nevrontetthet (Collins et al., 2010) for å tillate estimering av i hvilken grad dopamin modulerer individuelle nevroner over cortex. D1-reseptortetthet per nevron toppet seg i parietale og frontale cortex og var relativt lav i den tidlige sensoriske cortex (figur 1F). Det var en sterk positiv korrelasjon mellom D1-reseptortetthet per nevron og det kortikale hierarkiet (Figur 1G; r=0.81). På grunn av romlig autokorrelasjon mellom kortikale trekk (dvs. nærliggende deler av cortex har en tendens til å ha lignende anatomi), er det mulig å oppdage falske korrelasjoner mellom distinkte trekk ved hjerneanatomien. For å gjøre rede for dette genererte vi 10,000 surrogatkart med lignende romlig autokorrelasjon som hierarkikartet (Burt et al., 2020). Ingen av disse surrogatkartene var like sterkt korrelert med D1-reseptortetthetskartet som hierarkiet, noe som ga en p-verdi på mindre enn 0,0001 for D1-reseptor-hierarki-korrelasjonen. Det var ingen signifikant sammenheng mellom D1-reseptorekspresjon og hvorvidt et kortikalt område hadde et granulært lag IV (Wilcoxon rank-sum Z=0.39, p=0.70) eller til graden av Dexternopyramidalisering (Kruskal) - Wallis c2=1.47, s=0.48; Goulas et al., 2018; Sanides, 1962; Figur S2). Dette mønsteret av reseptoruttrykk antyder at dopamin hovedsakelig modulerer områder som bidrar til høyere kognitiv prosessering.

Vi bygde deretter en storskala modell av makakbarken. Vi plasserte den lokale kretsen i hvert av de 40 kortikale områdene (Figur 2A, til høyre). Egenskapene til disse lokale kretsene varierte på tvers av områder i form av makroskopiske gradienter (Wang, 2020) av langdistanse tilkobling (sett av sporingsdata), styrken til eksitasjon (angitt av ryggradstall), og modulering av D1-reseptorer (sett av reseptor autoradiografidata). Vi definerte sammenhengene mellom områder ved å bruke de kvantitative retrograde sporingsdataene. I modellen er interarealforbindelser eksitatoriske og retter seg mot dendrittene til pyramidale celler (Petreanu et al., 2009). Inter-areal eksitatoriske forbindelser retter seg også mot calretinin (CR)/vasoaktivt intestinal peptid (VIP) celler i større grad enn parvalbumin (PV) eller calbindin (CB)/somatostatin (SST) celler (Lee et al., 2013; Wall et al. ., 2016). De frontale øyefeltene (FEF) har en uvanlig høy tetthet av CR (her CR/VIP) celler (Pouget et al., 2009). For å ta høyde for dette økte vi andelen inter-areal input til CR/VIP celler i FEF og reduserte styrken på input til PV og CB/SST celler.

Et omvendt U-forhold mellom kortikal D1-reseptorstimulering og distribuert arbeidsminneaktivitet

Vi simulerte den storskala kortikale modellen under utførelsen av enArbeidsminneoppgave (figur 2C) med forskjellige nivåer av kortikalt dopamintilgjengelighet. I simuleringer, stimulus-selektivInter-areal tilkobling bestemmer det distribuerte arbeidsminnets aktivitetsmønster.Vi sammenlignet deretter mønsteret av forsinkelsesperiodeaktivitet i modellen med forsinkelsesperiodeaktivitet observert i over 90 elektrofysiologiske studier (Leavitt et al., 2017). Vi valgte modellparametere som ville produsere vedvarende aktivitet i den prefrontale cortex, men vi tilpasset ikke modellen til de eksperimentelle dataene. Av de 19 kortikale områdene der slik aktivitet har blitt vurdert i løpet av forsinkelsesperioden i minst tre eksperimentelle studier, var 18 i samsvar mellom simulerings- og eksperimentelle resultater (c2=15:03; p=0: 0001 Figur 3A). Totalt sett er den eksperimentelt observerte vedvarende aktiviteten fra en rekke studier reprodusert, og validerer modellen. Dette lar oss inspisere de anatomiske egenskapene som ligger til grunn for det distribuerte aktivitetsmønsteret og få innsikt i hjernemekanismene som kan produsere det.

Vi gjentok modellsimuleringer etter å ha blandet de anatomiske dataene. Aktivitetsmønstrene for forsinkelsesperioden for 30,000 simuleringer basert på den blandede anatomien ble sammenlignet med mønsteret som ble observert eksperimentelt. Ti tusen simuleringer ble kjørt ved å bruke blandede interarealforbindelser, blandet D1-reseptoruttrykk og blandet dendritisk ryggradsuttrykk separat. Overlappingen mellom det eksperimentelle vedvarende aktivitetsmønsteret og modellens vedvarende aktivitetsmønster var sterkt avhengig av inter-arealforbindelsene (p=0.0004), men ikke av mønsteret til D1-reseptorer (p=0.71 ) eller dendritisk ryggrad (p=0.46) (Figur 3B). Denne analysen antyder at kantene mellom noder i nettverket (dvs. inter-arealforbindelsene) er viktige for å definere det romlige mønsteret for forsinkelsesperiodeaktivitet. Deretter spurte vi hvordan nodene selv (dvs. individuelle kortikale områder) bidrar differensielt til distribuert arbeidsminne.

Underskudd på arbeidsminne er mest alvorlig etter lesjoner i prefrontale områder med høy D1-reseptortetthet

Vi kvantifiserte deretter i hvilken grad fokale lesjoner til individuelle områder i modellen forstyrret vedvarende aktivitet under arbeidsminneoppgaven (uten distraktorer). Effekten var avhengig av det skadede området og nivået av kortikalt dopamin (figur 3C). Lesjoner til prefrontale og bakre parietale områder forårsaket de største reduksjonene i forsinkelsesperiodens skytefrekvens (figur 3D, E). Lesjoner i frontale områder forårsaket en signifikant større reduksjon i forsinkelsesperiodens fireringsfrekvens enn lesjoner i parietale områder (Mann-Whitney U=46.0, s=0.027). Vi testet effekten av progressivt større lesjoner på frontal- og parietalbarken. For å øke størrelsen på lesjonene, skadet vi for hver lapp først det området som forårsaket det største fallet i forsinkelsesaktivitet når det ble skadet individuelt, og deretter skadet vi i tillegg området som forårsaket det nest største fallet og så videre (frontal lesjon 1: 46d, lesjon 2: 46d pluss 8B, lesjon 3: 46d pluss 8B pluss 8 m, etc.; parietal lesjon 1: LIP, lesjon 2: LIP pluss 7m, lesjon 3: LIP pluss 7 m pluss 7B., etc.). Ved lesjonering av to frontale regioner ble aktiviteten til den mnemoniske forsinkelsesperioden fullstendig ødelagt i hele cortex, slik at nettverket ikke lenger var i stand til å utføre oppgaven. I motsetning til dette forårsaket progressivt større lesjoner av parietal cortex bare en gradvis reduksjon i frontoparietal forsinkelsesaktivitet, og selv når hele parietal cortex ble fjernet (10 områder), gjensto tilstrekkelig gjenværende mnemonisk forsinkelsesperiodeaktivitet til å tillate cue-stimulus å bli dekodet ( Figur 3F).

Vi adresserte deretter modellens evne til å opprettholde cue-spesifikk forsinkelsesperiodeaktivitet i nærvær av distraktorer etter presis lesjon av hvert kortikale område. Vi analyserte studier på tvers av alle nivåer av kortikalt dopamintilgjengelighet. Lesjoner i tre prefrontale områder (8m, 46d og 8B), men ikke andre områder, forårsaket fullstendig forstyrrelse av distraktor-resistent arbeidsminneaktivitet i alle forsøk. Lesjoner på mange andre områderforårsaket en fullstendig reduksjon av distraktor-resistent arbeidsminneaktivitet for noen forsøk (tilsvarende et bestemt dopaminområde), men ikke andre. De syv lesjonene som forårsaket den største forstyrrelsen av arbeidsminneytelsen var i frontal cortex (seks prefrontale områder og premotorisk område F7; figur 3G). Reduksjonen i ytelse var signifikant større for lesjoner i frontale kortikale områder enn parietale områder (Mann-Whitney U=48.5, s=0.032). Våre simuleringer antyder således at (1) lesjoner i den prefrontale og bakre parietale cortex kan forårsake en betydelig forstyrrelse av aktiviteten i forsinkelsesperioden, (2) frontale lesjoner har større effekt på atferd enn parietale lesjoner, og (3) mindre lesjoner, spesielt til den prefrontale cortex, kan betydelig forstyrre ytelsen på mer vanskelige arbeidsminneoppgaver, for eksempel de med distraktorer. Derimot kreves større lesjoner for å forstyrre ytelsen på enkle arbeidsminneoppgaver.