Hipokampālā teta svārstību optoģenētiskā frekvenču šifrēšana atdala darba atmiņas izgūšanu no hipokampu telpiskajiem kodiem, 1. daļa

Tiek uzskatīts, ka precīza smadzeņu darbības koordinācija laikā ir ļoti svarīga atmiņas funkcijai. Inhibējošie neironi mediālajā starpsienā nodrošina ievērojamu hipokampu inervācijas avotu un tiem ir liela nozīme hipokampu teta (~ 8 Hz) svārstību kontrolē. Lai gan ir zināms, ka mediālo starpsienas neironu farmakoloģiskā inhibīcija traucē atmiņu, precīza starpsienu inhibējošo neironu loma hipokampu attēlojuma un atmiņas regulēšanā nav pilnībā izprotama.

Saikne starp smadzeņu darbību un atmiņu ir cieši saistīta. Mūsu atmiņa ir cieši saistīta ar mūsu smadzeņu darbību, kas ir viens no galvenajiem mūsu ķermeņa orgāniem, kas kontrolē to, kā mēs domājam, jūtamies un rīkojamies. Tāpēc, ja vēlamies iegūt labākas atmiņas, mums smadzenes ir jāizmanto efektīvāk.

Pirmkārt, mums ir jāsaprot, kā darbojas mūsu smadzenes. Ir smadzeņu daļa, ko sauc par hipokampu, kas ir mūsu atmiņas centrs. Tas ir atbildīgs par apstrādātās informācijas pārvēršanu ilgtermiņa atmiņā un uzglabāšanu mūsu smadzenēs. Hipokampa darbību ietekmējošie faktori galvenokārt ir smadzeņu asinsrite un nervu šūnu daudzums un kvalitāte.

Otrkārt, mums vajadzētu pievērst uzmanību tam, lai smadzenes būtu aktīvas. Nepārtraukti apgūstot jaunas lietas, smadzenes biežāk iesaistās informācijas apstrādē un atmiņas atmiņā, kas veicina hipokampu veselību un uzlabo atmiņu. Tāpēc mēs varam uzturēt savas smadzenes aktīvas un uzlabot atmiņu, lasot grāmatas, mācoties valodas, vingrinot atmiņu utt.

Visbeidzot, mums jāpievērš uzmanība labu dzīves paradumu saglabāšanai. Piemēram, pietiekami daudz miega, sabalansēta uztura un regulāras fiziskās aktivitātes var veicināt smadzeņu un ķermeņa veselību, tādējādi uzlabojot atmiņu.

Īsāk sakot, smadzeņu darbība un atmiņa ir cieši saistītas. Mēs varam veicināt smadzeņu veselību un apmācību daudzos aspektos, tādējādi uzlabojot atmiņu un tiekot galā ar dažādiem dzīves un darba izaicinājumiem. Var redzēt, ka mums jāuzlabo atmiņa. Cistanche deserticola var ievērojami uzlabot mūsu atmiņu, jo Cistanche deserticola ir tradicionāls ķīniešu ārstniecības materiāls, kam ir daudz unikālu efektu, no kuriem viens ir atmiņas uzlabošana. Maltās gaļas iedarbīgumu nodrošina dažādas tajā esošās aktīvās sastāvdaļas, tostarp skābe, polisaharīdi, flavonoīdi utt. Šīs sastāvdaļas var dažādos veidos veicināt smadzeņu veselību.

Noklikšķiniet uz Zināt īstermiņa atmiņu, kā uzlabot

Šeit mēs nošķiram teta ritmu lomu spatiotemporālajā kodēšanā un atmiņā, izmantojot visu optisko nopratināšanas un ierakstīšanas pieeju. Mēs atklājam, ka optoģenētiskās frekvenču kodēšanas stimulācijas atceļ teta svārstības un modulē daļu neironu hipokampā. Šāda stimulācija samazināja epizodiskās un darba atmiņas izgūšanu, atstājot hipokampu spatiotemporālo kodu neskartu. Mūsu pētījums liecina, ka teta ritmiem ir būtiska loma atmiņā, bet tie var nebūt nepieciešami hipokampu spatiotemporālajiem kodiem.

Tiek uzskatīts, ka precīza neironu aktivitātes koordinācija laikā ir būtiska atmiņas kodēšanai un izguvei. Jo īpaši ir ierosināts, ka mediālā starpsiena (MS) darbojas kā galvenais pakārtoto struktūru virzītājspēks un nodrošina lielāko subkortikālo ievadi hipokampā1. MS ir neiroķīmiski neviendabīga struktūra, kas sastāv no GABAerģiskiem2, galvenokārt parvalbumīna (PV)-pozitīviem neironiem3, kā arī holīnerģiskiem4 un mazākas glutamaterģisko neironu populācijas5,6.

MS PV šūnas projicē tieši uz GABAergicinterneurons hipokampā, izraisot hipokampu piramīdas šūnu inhibējošo kontroli3. Turklāt PV interneuroni hipokampā ir būtiski teta (~ 8 Hz) ritmu stimulēšanai7, un MS PV neironu optoģenētiskā stimulācija tieši8,9 vai to termināļiem10 hipokampā ir saistīta ar hipokampu svārstību frekvences specifisku paaugstināšanu, turpretim MS in vivo inhibīcija. ir saistīta ar samazinātu teta svārstību jaudu 11–13.

Lai gan pilnīga MS optoģenētiskā inhibīcija ir saistīta ar telpiskās atmiņas traucējumiem14, šīs sekas varētu būt saistītas ar holīnerģisko funkciju traucējumiem 15, 16, kas, kā zināms, ir būtiskas atmiņai. Pavisam nesen neholīnerģisko MS PV šūnu aktivitāte ir nepieciešama atmiņas kodēšanai un izguvei 17, 18. Proti, hipokamps ir arī epizodiskās19,20 un darba21 atmiņas pamatstruktūra. Tā kā MS ir būtiska hipokampu teta ritmu ģenerēšanai un uzturēšanai, MS aktivitātes traucējumi, visticamāk, ietekmēs pakārtoto hipokampu fizioloģiju un darba atmiņu22.
Lai gan pašlaik nav zināmi precīzi no hipokampa atkarīgās atmiņas fizioloģiskie mehānismi, ir ierosināts, ka hipokampu vietas šūnas23, kas kodē konkrētas atrašanās vietas noteiktā kontekstā, varētu atbalstīt epizodisko atmiņu24. Hipokampu apakšlaukā CA1 telpiskā regulēšana ir atkarīga no kontekstuālajiem sensorajiem ievadiem25. Citus mainīgos lielumus, piemēram, laiku un attālumu, var kodēt arī vizuāli vadītas pārvietošanās laikā26, 27, bet arī tad, ja nav sensoro signālu28, iespējams, izmantojot iekšējo informāciju, tostarp paškustību29 (pārskatīšanai skatiet Mehta30 un McNaughton31).

Laika un telpas attēlojumus var attēlot konjunktīvi hipokampu neironos, un šādi multipleksēti spatiotemporālie kodi varētu būt darba atmiņas substrāts 32–34. Papildus distālo vizuālo norāžu nostiprināšanai, izmantojot skrejceliņu35–37 vai virtuālās realitātes paradigmas26, 27, 38, telpiskie un laika kodi ir arī iegūti analītiski, izmantojot vispārinātus lineārus modeļus, kas īsteno telpu, laiku un attālumu37. Tomēr šādas pieejas nav plaši izmantotas neironu aktivitātes reģistrēšanai brīvās izpētes laikā.

Vairāki pētījumi liecina, ka hipokampu teta ritmi varētu būt pamatā laika kodiem, jo ​​teta ritmi cieši koordinē hipokampu darbību. Lai gan ir ziņots arī par laika šūnām gan CA1, gan CA3 grauzējiem, kuri veic uzdevumus, kuriem nav nepieciešama darba atmiņa41, MS farmakoloģiskā inhibīcija izraisa specifiskus laika traucējumus, bet ne vietas šūnas un ir saistīta ar samazinātu darba atmiņu36. Svarīgs farmakoloģisko pieeju trūkums ir tas, ka tās neatšķir GABAerģisko un holīnerģisko šūnu relatīvo ieguldījumu atmiņas funkcijā. Jo īpaši tika konstatēts, ka MS holīnerģiskās aktivitātes kavēšana maina hipokampu telpiskos attēlojumus43 un samazina darba atmiņas veiktspēju44,45. Pārsteidzoši, ka MS farmakoloģiskā inhibīcija bija saistīta ar samazinātu teta svārstību jaudu, bet ne ar vietas laukiem46, un šī vietas šūnu aktivitātes noturība samazināšanās laikā nav saistīta ar pieredzi saistītiem plastiskuma mehānismiem47.

Iepriekšējie mēģinājumi inhibēt MS GABAerģiskos interneuronus, īpaši izmantojot optoģenētiku, bija saistīti tikai ar daļēju teta signālu samazināšanos, bet ne pilnīgu pārtraukšanu13. Savukārt teta svārstību optoģenētiskā stimulēšana ir saistīta tikai ar nelielām izmaiņām vietas šūnu raksturlielumos, tostarp ar nelielu šaušanas frekvences9 un fāzes maiņu. Turklāt, lai gan tiek pieņemts, ka MS ievade varētu tieši kontrolēt hipokampu laika kodus, joprojām trūkst cēloņsakarību. Līdz šai dienai precīza MS-PV neironu loma hipokampu spatiotemporālo kodu un atmiņas organizēšanā joprojām nav zināma.

Šeit mēs kontrolējām MS PV aktivitāti, izmantojot optoģenētiku, lai paātrinātu teta svārstības, izmantojot sarkani nobīdītu ierosinošu opsīnu. Mēs piedāvājam pieeju, lai pilnībā atceltu hipokampu teoritmus, pamatojoties uz MS neironu optoģenētisko frekvenču kodēšanas stimulāciju. Alternatīvi, teta ritma stimulēšana to dabiskajā frekvencē tiem pašiem dzīvniekiem nodrošina subjekta iekšējo kontroli. Mēs apvienojām optoģenētisko kontroli ar CA1 piramīdšūnu kalcija attēlveidošanu pelēm, kas skrien pa lineāru celiņu ar secīgiem toņiem.

Šādos apstākļos mēs varētu atdalīt vietas, laika un attāluma šūnas, izmantojot informācijas teorētisko pieeju. Veicot teta signālu optoģenētisko frekvenču kodēšanu, tika saglabāti gan vietas, gan laika attēlojumi, un tikai neliela CA1 piramīdas šūnu apakškopa tika modulēta ar stimulāciju. Pēc tam mēs noskaidrojām, ka tetaoscilācijas ablācija bija saistīta ar traucētu darba atmiņas izgūšanu, kas liecina, ka MS PV šūnām ir izšķiroša loma hipokampu teta svārstību ģenerēšanā, kas ir nepieciešamas atmiņas izguvei, bet nav iesaistītas spatiotemporālos attēlojumos.

Rezultāti

CA1 piramīdas šūnas kodē spatiotemporālo informāciju

Lai pārbaudītu spatiotemporālos kodus lielās CA1 galveno šūnu populācijās, mēs injicējām GCaMP6fast ekspresējošu vīrusu vektoru zem CamKII promotora hipokampa CA1 reģionā, implantējām aGRIN objektīvu virs injekcijas vietas un veicām piramīdas neironu kalcija attēlveidošanas ierakstus, izmantojot atvērtā koda miniscopes49. ,50 (1.a, b att.; detalizētu histoloģiju skatiet 1. papildu attēlā). Izmantojot CNMFe51, tika iegūti neironu telpiskie pēdas nospiedumi (1.c att.) un tiem atbilstošie kalcija pārejas periodi (1.d att.). Lai atdalītu galveno šūnu telpiskās un laika regulēšanas īpašības, mēs izstrādājām uzdevumu, kas apvieno lineāru celiņu ar trīs toņu norādēm, ko aktivizē kustības sensori abos celiņa galos. Katra palaišanas beigās uzreiz tika iedarbināts jauns signāls, informējot peles par to virzību uz atlīdzības piegādi.

Katrs ceturtais skrējiens tika pausts ar augstu, nepārtrauktu signālu, kas bija saistīts ar balvas saņemšanu lineārās trases beigās (1.e attēls). Tika uzraudzīta katras peles absolūtā atrašanās vieta, pagājušais laiks un nobrauktais attālums kopš izbraukšanas no atlīdzības vietas (1.f att.). Izmantojot šos mainīgos un binarizēto neironu aktivitāti, mēs aprēķinājām varbūtības regulēšanas līknes (1.g att.) un ieguvām savstarpēju informāciju (MI) starp neironu aktivitāti un atrašanās vietu, laiku, kā arī attālumu līdz katrai reģistrētajai šūnai. Atšķirībā no korelācijas analīzēm, MI nepieņem lineāras, monotoniskas attiecības starp neironu aktivitāti un uzvedības mainīgajiem, bet gan izsaka viena mainīgā nenoteiktības apjomu, ko var izskaidrot ar otru.

MI vērtību nozīmīgums tika pārbaudīts, izmantojot jauktus surogātus, kuriem tika veiktas cirkulāras permutācijas (n {{0}}), lai saglabātu kalcija pāreju temporaldinamiku. Neironi, kas 95% gadījumu kodēja tikai vienu mainīgo ar MI, kas ir lielāks par jauktiem surogātiem (p Mazāks vai vienāds ar 0,05), tika marķēti kā vietas modulēti (telpiski), laika modulēti (laika) vai attāluma modulēti (sk. Metodes). Turpmākajās analīzēs mēs koncentrējāmies uz kandidātšūnām, kuras kodē tikai nozīmīgu mainīgo (1. att.). Svarīgi, ka laika modulētās šūnas nebija sistemātiski aktīvas noteiktās vietās, un vietas modulētās šūnas nebija sistemātiski aktīvas noteiktā laikā (1.i, j att.).

Lai gan lielākā daļa šūnu, kas kodē vienu mainīgo, bija vietas modulētas, liela daļa neironu bija konjunktīvi neironi, kas kodē vairāk nekā vienu mainīgo (17, 98 ± 1, 77%). Turpretim šūnu kodēšanas vieta ekskluzīvi pārstāvēja 9.{11}}2 ± 1,61% no kopējās ierakstītās populācijas, savukārt 1,79 ± 0,68% selektīvi kodētais attālums un 1,27 ± 0,09% selektīvi kodētais laiks (1.k att.; papildu neironu piemēri, kas pielāgoti laikam, telpai vai attālumam, kā arī to informācijas saturs ir parādīti 2. papildu attēlā).

Lai gan mūsu informācijas teorētiskā pieeja var atdalīt mainīgos, kas pārklājas, izolējot šūnas, kas būtiski kodē tikai vienu mainīgo, mēs tālāk pārbaudījām katra šūnu veida atbilstību spatiotemporālo mainīgo kodēšanai, izmantojot naivu Bajeza klasifikatoru, lai atšifrētu atrašanās vietu (1. l–n att.), pagāja laiks. (1o–q att.) un nobraukto attālumu (1.r–t att.) pa lineāro sliežu ceļu52.

Mēs novērtējām katras peles pašreizējo stāvokli, aprēķinot maksimālo a posteriori (MAP) vērtību, ņemot vērā neironu aktivitāti, un sāknēšanas noregulēšanas līknes, kas aprēķinātas, izmantojot faktisko vai cirkulāri sajaukto bināro aktivitāti (1. att., o, r; detalizētu protokolu skatiet sadaļā Metodes). Prognožu kvalitāte tika novērtēta, izmantojot sajaukšanas matricas (1. att., p, s) un aprēķinot Eiklīda attālumu starp paredzēto stāvokli un faktisko stāvokli (1.n, q, t att.). Svarīgi ir tas, ka mūsu Bajesa dekodētājs uzrādīja vidējo kļūdu 16,58 cm, kas bija ievērojami mazāka nekā atkodējot no sajauktiem surogātiem (5{{10}},95 cm; pāra t-tests, t4=19.75). ,p Mazāks vai vienāds ar 0.0001), un dekodēšana, izmantojot telpiski modulētas šūnas, bija ievērojami precīzāka nekā tad, ja tika izmantotas telpiski nemodulētas šūnas (pāra t-tests, t4=34.54, p Mazāks 0,0001 vai vienāds ar to; 1.n attēls). Līdzīgi, vidējā atšifrēšanas kļūda pagājušajam laikam bija 6,45 s, kas bija ievērojami mazāka nekā kļūda, kas aprēķināta, izmantojot sajauktus surogātus (19,12 s; pāra t-tests,t4=18.01, p mazāks par vai vienāds ar 0,0001).

Dekodēšana, izmantojot laika modulētās šūnas, sniedza ievērojami labāku precizitāti, salīdzinot ar šūnām, kas nav modulētas ar laiku (pāra t-tests, t4=3.163, p=0.0341; 1. att.). . Visbeidzot, vidējā attāluma kļūda, izmantojot mūsu dekodētāju, bija 61,40 cm, kas bija ievērojami mazāka nekā sajauktiem surogātiem (189,6 cm; t-tests, t4=28.79, p — mazāka vai vienāda ar 0,0001). Dekodēšana, izmantojot attāluma modulētas šūnas, radīja ievērojami mazākas kļūdas, salīdzinot ar šūnām, kas nav modulētas (t-tests, t4=4.595,p=0.0101; 1.t attēls).

Selektīva MS optogenētiskā teta svārstību kontrole

Lai pārbaudītu MS ģenerēto teta signālu relatīvo ieguldījumu ppokampālā telpiskā laika kodos, mēs transfektējām sarkanās nobīdes ierosinošo opsīnu ChrimsonR MS (2.a attēls). Atšķirībā no inhibitoriem, ChrimsonR ļāva mums modificēt vai paātrināt teta signālus subjektos. Turklāt ChrimsonR ir efektīvāks par plaši izmantoto Channelrhodopsin-2 un nodrošina iespēju apvienot optoģenētiku ar kalcija attēlveidošanu53. 14,91 ± 3,57% PV šūnu izteica ChrimsonR, kas, mūsuprāt, ir pietiekama, lai veiktu visaptverošu kontroli pār hipokampu svārstībām (n=4 peles; 2.b, c att.). Turpretim mēs praktiski neatradām ChrimsonR ekspresiju ChAT šūnās (1, 05 ± 1, 052% ChAT šūnu arī izteica ChrimsonR; 2.d, e attēls).

Pēc tam mēs implantējām peles ar optisko šķiedru MS. Mēs veicām 638 nm lāzerstimulāciju, vienlaikus reģistrējot lokālo lauka potenciālu (LFP) CA1 (2. att.). Mēs atklājām, ka MS kodētā un 8 Hz optoģenētiskā stimulācija var attiecīgi izjaukt vai paātrināt teta svārstības (2.g att.). Lai gan sākotnējā dabiskā teta 4–12 Hz frekvenču joslā ir zināma frekvenču mainība, 8 Hz stimulācijas izraisīja konsekventas un stabilas hipokampu svārstības šajā frekvencē. Turpretim kodētās stimulācijas konsekventi atcēla teta ritmus (2.h att.).

Mēs noskaidrojām, ka svārstību stiprumu (OS) teta joslā (skatiet Metodes) ievērojami samazināja kodētās stimulācijas ({{0}},45 ± 0.01), salīdzinot ar sākotnējām epohām. (0,67 ± {{10}}.01,p Mazāks vai vienāds ar 0.00{ {29}}1) un būtiski neatšķīrās no baltā trokšņa kontroles signāla OS (0,50 ± 0,01, p=0,99). No otras puses, 8 Hzstimulācijas ievērojami palielināja teta jaudu (0,82 ± 0,01,p mazāks vai vienāds ar 0,0001; n=59 laikmeti; 2.i attēls), salīdzinot ar kodētām stimulācijām. Mēs arī atklājām būtisku mijiedarbību starp mūsu stimulācijas modeļiem un LFP frekvenču joslu (F10=6.467, p Mazāks vai vienāds ar 0,0001). Jo īpaši kodētās frekvences stimulācija ievērojami samazināja teta jaudu (0,341 ± 0,06 daļa no sākotnējās teta joslas jaudas; p=0,0394, pāru t-tests), savukārt 8 Hz stimulācijas ievērojami palielināja teta jaudu (3,302 ± 0,76 daļa no bāzes līnijas teta joslas jaudas , p=0.0004, pāru t-tests; 2.j att.), atstājot citas frekvenču joslas nemainīgas.

Lai gan mūsu kalcija attēlveidošanas un elektrofizioloģiskās analīzes ietvēra tikai pārvietošanās periodus (sk. Metodes), mēs arī atklājām, ka mēs varējām droši atcelt (papildu 3.a, b) vai paātrināt (papildu attēls 3a, c) teta svārstības neatkarīgi no lokomotorā stāvokļa ( ieskaitot miera periodus). Lai gan dabiskā teta OS ir saistīta ar kustību ātrumu (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 neatkarīgi laikmeti; papildu 3.d attēls), teta atcelšana noveda pie tā zaudēšanas korelācija (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 neatkarīgi laikmeti; papildu 3.e att.), tāpat kā 8 Hz stimulācijas (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 neatkarīgi laikmeti; Papildu 3. fig. attēls, kas liecina, ka lokomotoriskie stāvokļi nav ignorējuši optoģenētisko stimulāciju ietekmi uz teta svārstībām.

Hipokampu aso viļņu viļņiem (SWR) ir būtiska loma atmiņas konsolidācijā54–56, un MS holīnerģisko neironu stimulēšana ir saistīta ar samazinātu pulsācijas aktivitāti57 un traucētu darba atmiņu45. Lai gan mēs praktiski neatradām ChrimsonR ekspresiju MS holīnerģiskajos neironos, bija svarīgi izmērīt mūsu MS optoģenētiskās stimulācijas ietekmi uz pulsācijas fizioloģiju. Šim nolūkam mēs reģistrējām CA1-LFP un veicām 5 s ON un 5 s OFF scrambledoptogenetic stimulāciju brīvi uzvedošām pelēm, kuras pēta atklātu lauku (papildu 4.a att.). Mēs izmērījām pulsācijas notikumu atribūtus pirms kodētās stimulācijas un tās laikā un neatradām nekādas ietekmes izmaiņas (nesapārots, divpusējs t-tests, t6=0.076, p=0.941; Papildu 4.b att., pa kreisi panelis), parādīšanās biežums (nesapārots, divpusējs tests, t6=−1,688, p=0.142; Papildu 4.c att., kreisais panelis) vai platums (nepāra, divpusējs t-tests, t6=0.124, p=0.905; Papildu 4.d attēls, kreisais panelis).

Tāpat 8 Hz optoģenētiskās stimulācijas izmantošanai nebija manāmas ietekmes uz pulsācijas jaudu (nesapārots, divpusējs t-tests, t6=0.378, p=0.718; Papildu 4.b attēls, labais panelis), frekvence (nesapārots, abpusējs t-tests, t{{10}} −1,643, p=0.151; Papildu 4.c attēls, labais panelis) un platums (nesapārots, divpusējs t-tests, t6=−0,138,p=0.894; Papildu 4.d att., labais panelis). Kopā ar mūsu histoloģiskajiem rezultātiem un iepriekšējo ziņojumu, ka MS holīnerģisko neironu optoģenētiskā stimulācija samazina SWR57 rašanos, mēs atklājam, ka šīs optoģenētiskās stimulācijas neietekmē holīnerģisko ievadi hipokampā.

For more information:1950477648nn@gmail.com