Оптогенетическое скремблирование частот тета-колебаний гиппокампа отделяет поиск рабочей памяти от пространственно-временных кодов гиппокампа. Часть 1

Считается, что точная временная координация деятельности мозга имеет основополагающее значение для функции памяти. Тормозные нейроны медиальной перегородки обеспечивают важный источник иннервации гиппокампа и играют важную роль в контроле тета-колебаний гиппокампа (~8 Гц). Хотя известно, что фармакологическое ингибирование медиальных септальных нейронов нарушает память, точная роль септальных тормозных нейронов в регуляции репрезентаций гиппокампа и памяти до конца не изучена.

Взаимосвязь между активностью мозга и памятью тесно связана. Наша память тесно связана с работой мозга — одного из главных органов нашего тела, который контролирует то, как мы думаем, чувствуем и действуем. Следовательно, если мы хотим иметь лучшую память, нам нужно более эффективно использовать свой мозг.

Во-первых, нам нужно понять, как работает наш мозг. Есть часть мозга, называемая гиппокампом, который является нашим центром памяти. Он отвечает за преобразование обработанной информации в долговременную память и сохранение ее в нашем мозгу. Факторами, влияющими на функцию гиппокампа, являются главным образом кровообращение головного мозга, а также количество и качество нервных клеток.

Во-вторых, мы должны уделять внимание поддержанию активности мозга. Постоянно изучая что-то новое, мозг чаще участвует в обработке информации и воспоминании, что способствует здоровью гиппокампа и улучшению памяти. Таким образом, мы можем поддерживать активность мозга и улучшать память, читая книги, изучая языки, тренируя память и т. д.

Наконец, мы должны уделять внимание поддержанию хороших жизненных привычек. Например, достаточное количество сна, сбалансированное питание и регулярные физические упражнения могут способствовать здоровью мозга и тела, тем самым улучшая нашу память.

Короче говоря, деятельность мозга и память тесно связаны. Мы можем способствовать здоровью и тренировке мозга во многих аспектах, тем самым улучшая нашу память и справляясь с различными проблемами в жизни и работе. Видно, что нам необходимо улучшить нашу память. Цистанхе пустынный может значительно улучшить нашу память, поскольку цистанхе пустынный — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность мясного фарша обусловлена ​​различными содержащимися в нем активными ингредиентами, в том числе кислотами, полисахаридами, флавоноидами и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Знай кратковременную память», как ее улучшить.

Здесь мы отделяем роль тета-ритмов в пространственно-временном кодировании и памяти, используя полностью оптический подход к опросу и записи. Мы обнаружили, что оптогенетическая стимуляция частотного скремблинга устраняет тета-колебания и модулирует часть нейронов в гиппокампе. Такая стимуляция уменьшала воспроизведение эпизодической и рабочей памяти, оставляя при этом пространственно-временные коды гиппокампа нетронутыми. Наше исследование показывает, что тета-ритмы играют важную роль в памяти, но могут не быть необходимыми для пространственно-временных кодов гиппокампа.

Считается, что точная временная координация активности нейронов имеет основополагающее значение для кодирования и извлечения памяти. В частности, было предложено, чтобы медиальная перегородка (МС) выступала в качестве основного звена между нижестоящими структурами и обеспечивала наибольшие подкорковые входные сигналы в гиппокамп1. РС представляет собой нейрохимически гетерогенную структуру, состоящую из ГАМКергических2, в основном парвальбумин (PV)-положительных нейронов3, а также холинергических4 и меньшей популяции глутаматергических нейронов5,6.

Клетки MS PV проецируются непосредственно на ГАМКергические интернейроны в гиппокампе, вызывая упреждающий ингибирующий контроль над пирамидными клетками гиппокампа3. Кроме того, интернейроны PV в гиппокампе необходимы для стимулирования тета-ритмов (~ 8 Гц)7, а оптогенетическая стимуляция нейронов MS PV непосредственно8,9 или их терминалей10 в гиппокампе связана с частотно-специфической частотой колебаний гиппокампа, тогда как ингибирование MS in vivo было связано со снижением мощности тета-колебаний11–13.

Хотя полное оптогенетическое ингибирование рассеянного склероза связано с нарушениями пространственной памяти14, эти эффекты потенциально могут быть связаны с нарушением холинергических функций15,16, которые, как известно, имеют решающее значение для памяти. Совсем недавно активность нехолинергических клеток MS PV необходима для кодирования и извлечения памяти17,18. Примечательно, что гиппокамп также является основной структурой эпизодической19,20 и рабочей21 памяти. Поскольку рассеянный склероз играет важную роль в генерации и поддержании тета-ритмов гиппокампа, нарушение активности рассеянного склероза, вероятно, повлияет на физиологию гиппокампа и рабочую память.
Хотя точные физиологические механизмы гиппокампа-зависимой памяти в настоящее время неизвестны, было высказано предположение, что клетки гиппокампа23, которые кодируют определенные места данного контекста, могут поддерживать эпизодическую память24. В подполе CA1 гиппокампа пространственная настройка зависит от контекстуальных сенсорных сигналов25. Другие переменные, такие как время и расстояние, также могут быть закодированы во время передвижения под визуальным контролем26,27, а также при отсутствии сенсорных сигналов28, вероятно, с использованием внутренней информации, включая самодвижение29 (см. обзор Mehta30 и McNaughton31).

Репрезентации времени и пространства могут быть представлены совместно в нейронах гиппокампа, и такие мультиплексированные пространственно-временные коды могут быть кандидатом в субстрат для рабочей памяти 32–34. Помимо фиксации дистальных визуальных сигналов с помощью беговой дорожки35–37 или использования парадигм виртуальной реальности26,27,38, пространственно-временные коды также извлекались аналитически с использованием обобщенных линейных моделей, реализующих пространство, время и расстояние37. Однако такие подходы не нашли широкого применения при регистрации активности нейронов во время свободного исследования.

Некоторые исследования показывают, что тета-ритмы гиппокампа могут лежать в основе временных кодов, поскольку тета-ритмы жестко координируют деятельность гиппокампа. Хотя клетки времени также были обнаружены как в CA1, так и в CA3 у грызунов, выполняющих задачи, не требующие рабочей памяти41, фармакологическое ингибирование MS приводит к специфическому нарушению клеток времени, но не клеток места, и связано со снижением рабочей памяти36. Важным недостатком фармакологических подходов является то, что они не различают относительный вклад ГАМКергических и холинергических клеток в функцию памяти. Примечательно, что ингибирование холинергической активности рассеянного склероза изменяет пространственные представления гиппокампа43 и снижает производительность рабочей памяти44,45. Удивительно, но фармакологическое ингибирование МС было связано со снижением мощности тета-колебаний, но не с полями места46, и эта устойчивость активности клеток места во время снижения тета не была обусловлена ​​механизмами пластичности, связанными с опытом47.

Предыдущие попытки ингибировать МС ГАМКергические интернейроны, специально используя оптогенетику, были связаны лишь с частичным снижением, но не с полным нарушением тета-сигналов13. В свою очередь, оптогенетическая стимуляция тета-колебаний была связана лишь с незначительными изменениями в характеристиках плацеклеток, включая небольшой сдвиг частоты возбуждения9 и фазы48. Кроме того, хотя предполагается, что входные сигналы MS могут напрямую контролировать временные коды гиппокампа, причинно-следственные доказательства все еще отсутствуют. По сей день точная роль нейронов MS-PV в управлении пространственно-временными кодами и памятью гиппокампа остается неизвестной.

Здесь мы контролировали активность MS PV с помощью оптогенетики, чтобы стимулировать или подавлять тета-колебания с помощью возбуждающего опсина, смещенного в красную сторону. Мы предлагаем подход к полной отмене тетаритов гиппокампа, основанный на оптогенетической частотной стимуляции нейронов рассеянного склероза. Альтернативно, стимулирование тета-ритмов на их естественной частоте у одних и тех же животных обеспечивает внутрисубъектный контроль. Мы объединили оптогенетический контроль с визуализацией кальция пирамидальных клеток CA1 у мышей, бегущих по линейной дорожке с последовательными тонами.

В этих условиях мы могли бы разделить ячейки места, времени и расстояния, используя теоретико-информационный подход. При выполнении оптогенетического скремблирования частоты тета-сигналов репрезентация как места, так и времени сохранялась, и только небольшая подгруппа пирамидных клеток CA1 модулировалась стимуляцией. Затем мы обнаружили, что абляция тета-колебаний связана с нарушением восстановления рабочей памяти, предполагая, что клетки MS PV играют решающую роль в генерации тета-колебаний гиппокампа, которые необходимы для восстановления памяти, но не участвуют в пространственно-временных репрезентациях.

Полученные результаты

Пирамидальные клетки CA1 кодируют пространственно-временную информацию.

Чтобы изучить пространственно-временные коды в больших популяциях основных клеток CA1, мы инъецировали вирусный вектор, экспрессирующий GCaMP6fast, под промотор CamKII в области CA1 гиппокампа, имплантировали линзу aGRIN над местом инъекции и выполнили визуализацию кальция пирамидных нейронов с помощью минископов с открытым исходным кодом49. ,50 (рис. 1а, б; подробную гистологию см. на дополнительном рис. 1). Мы извлекли пространственные следы нейронов (рис. 1в) и соответствующие им кальциевые переходные процессы (рис. 1г) с помощью CNMFe51. Чтобы выявить свойства пространственной и временной настройки основных ячеек, мы разработали задачу, сочетающую линейную дорожку с трехтональными сигналами, запускаемыми датчиками движения на обоих концах дорожки. В конце каждого забега мгновенно срабатывал новый звуковой сигнал, информирующий мышей об их прогрессе в направлении вручения награды.

Каждый четвертый забег сопровождался высоким непрерывным сигналом, который ассоциировался с вручением награды в конце линейной дорожки (рис. 1e). Контролировали абсолютное местоположение каждой мыши, а также время, прошедшее и пройденное расстояние с момента ухода от места вознаграждения (рис. 1f). Используя эти переменные и бинаризованную активность нейронов, мы рассчитали вероятностные кривые настройки (рис. 1g) и получили взаимную информацию (MI) между активностью нейронов и местоположением, временем, а также расстоянием для каждой зарегистрированной клетки. В отличие от анализа, основанного на корреляции, МИ не предполагает линейных, монотонных связей между активностью нейронов и поведенческими переменными, а скорее выражает степень неопределенности одной переменной, которую можно объяснить другой.

Значимость значений MI проверялась с использованием перетасованных суррогатов, которые подвергались круговым перестановкам (n {{0}}), чтобы сохранить временную динамику переходных процессов кальция. Нейроны, которые кодировали исключительно одну переменную с MI, превышающим перетасованные суррогаты, в 95% случаев (p меньше или равно 0,05) были помечены как модулированные по месту (пространственные), модулированные по времени (временные) или модулированные по расстоянию (см. Методы). Для последующего анализа мы сосредоточились на клетках-кандидатах, которые кодируют только одну значимую переменную (рис. 1h). Важно отметить, что клетки с модуляцией времени не были систематически активны в определенных местах, а клетки с модуляцией места не были систематически активны в данный момент времени (рис. 1i,j).

Хотя большинство клеток, кодирующих одну переменную, были пространственно-модулированными, большая часть нейронов представляла собой конъюнктивные нейроны, кодирующие более одной переменной (17,98 ± 1,77%). Напротив, место кодирования клеток представляло исключительно 9,02 ± 1,61% от общей зарегистрированной популяции, в то время как 1,79 ± 0,68% выборочно кодировали расстояние и 1,27 ± 0,09% выборочно кодировали время (рис. 1k; дополнительные примеры нейронов, настроенных на время, пространство или расстояние, а также их информационное содержание показаны на дополнительном рисунке 2).

Хотя наш теоретико-информационный подход может распутать перекрывающиеся переменные, изолируя ячейки, которые в значительной степени кодируют только одну переменную, мы дополнительно проверили релевантность каждого типа ячеек при кодировании пространственно-временных переменных, используя наивный байесовский классификатор для декодирования местоположения (рис. 1l-n), прошедшее время (рис. 1o–q) и пройденное расстояние (рис. 1r–t) по линейному пути52.

Мы оценили текущее состояние каждой мыши путем вычисления максимального апостериорного значения (MAP) с учетом активности нейронов и кривых начальной настройки, рассчитанных с использованием фактической или перетасованной по кругу бинаризованной активности (рис. 1l, o, r; подробный протокол см. в разделе «Методы»). Качество прогнозов оценивалось с помощью матриц неточностей (рис. 1м, р, с) и путем вычисления евклидового расстояния между прогнозируемым состоянием и фактическим состоянием (рис. 1н, д, т). Важно отметить, что наш байесовский декодер дал среднюю ошибку 16,58 см, что было значительно ниже, чем при декодировании из перетасованных суррогатов (5{{10}}},95 см; парный t-критерий, t4=19,75 ,p Меньше или равно 0.0001), а декодирование с использованием пространственно-модулированных ячеек было значительно более точным, чем при использовании непространственно-модулированных ячеек (парный t-критерий, t4=34.54, p Меньше больше или равно 0,0001 (рис. 1н). Аналогичным образом, средняя ошибка декодирования за истекшее время составила 6,45 с, что было значительно ниже, чем ошибка, вычисленная с использованием перетасованных суррогатов (19,12 с; парный t-критерий, t4=18.01, p Меньше или равно 0,0001).

Декодирование с использованием модулированных по времени ячеек дало значительно лучшую точность по сравнению с немодулированными по времени ячейками (парный t-критерий, t4=3.163, p=0.0341; рис. 1q). . Наконец, средняя ошибка расстояния с использованием нашего декодера составила 61,40 см, что было значительно ниже, чем у перетасованных суррогатов (189,6 см; t-тест, t4=28.79, p меньше или равно 0,0001). Декодирование с использованием ячеек с дистанционной модуляцией дало значительно меньшие ошибки по сравнению с ячейками с немодулированной связью (t-критерий, t4=4.595,p=0.0101; рис. 1t).

Селективный МС-оптогенетический контроль тета-колебаний

Чтобы изучить относительный вклад тета-сигналов, генерируемых MS, в пространственно-временные коды гиппокампа, мы трансфицировали возбуждающий опсин ChrimsonR со сдвигом в красную область в MS (рис. 2a). В отличие от ингибиторов йопсинов, ChrimsonR позволил нам либо блокировать, либо регулировать тета-сигналы внутри субъектов. Кроме того, ChrimsonR более эффективен, чем более широко используемый Channelrhodopsin-2, и обеспечивает возможность сочетать оптогенетику с визуализацией кальция53. 14,91 ± 3,57% клеток PV экспрессируют ChrimsonR, которого, как мы обнаружили, достаточно для обеспечения повсеместного контроля колебаний гиппокампа (мыши n=4; рис. 2б, в). Напротив, мы практически не обнаружили экспрессии ChrimsonR в клетках ChAT (1,05 ± 1,052% клеток ChAT также экспрессировали ChrimsonR; рис. 2г, д).

Затем мы имплантировали мышам оптоволокно поверх МС. Мы выполнили лазерную стимуляцию с длиной волны 638 нм, одновременно регистрируя локальные потенциалы поля (LFP) в CA1 (рис. 2f). Мы обнаружили, что скремблирование MS и оптогенетическая стимуляция 8 Гц могут нарушать или ускорять тета-колебания соответственно (рис. 2g). В то время как исходная естественная тета демонстрирует некоторую изменчивость частоты в диапазоне частот 4–12 Гц, стимуляция частотой 8 Гц приводила к последовательным и стабильным колебаниям гиппокампа на этой частоте. Напротив, скремблированная стимуляция последовательно подавляла тета-ритмы (рис. 2h).

Мы обнаружили, что сила колебаний (OS) в тета-диапазоне (см. «Методы») значительно снижалась при скремблированных стимуляциях ({{0}},45 ± 0.01) по сравнению с базовыми эпохами. (0.67 ± {{10}}.01,p Меньше или равно 0.00{ {29}}1) и существенно не отличались от OS сигнала управления белым шумом (0.50 ± 0,01, p=0.99). С другой стороны, стимуляция частотой 8 Гц значительно увеличивала тета-мощность (0,82 ± 0,01, p меньше или равна 0,0001; n=59 эпох; рис. 2i) по сравнению с скремблированной стимуляцией. Мы также обнаружили значительное взаимодействие между нашими моделями стимуляции и диапазоном частот LFP (F10=6.467, p меньше или равно 0,0001). В частности, стимуляция с скремблированной частотой значительно снижала тета-мощность (0,341 ± 0,06 части базовой мощности тета-диапазона; p=0,0394, парный t-критерий), тогда как стимуляция частотой 8 Гц значительно увеличивала тета-мощность (3,302 ± 0,76 части базовой мощности тета-диапазона). , p=0.0004, парный t-критерий, рис. 2j), оставляя другие полосы частот неизмененными.

Хотя наша визуализация кальция и электрофизиологический анализ включали только периоды передвижения (см. «Методы»), мы также обнаружили, что смогли надежно отменить (дополнительные рис. 3a, b) или ускорить (дополнительные рис. 3a, c) тета-колебания независимо от локомоторного состояния ( включая периоды покоя). В то время как естественная тета-ОС коррелирует со скоростью движения (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 независимых эпох; дополнительный рис. 3d), отмена теты привела к потере такой корреляция (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 независимых эпох; дополнительный рисунок 3e), как и стимуляция частотой 8 Гц (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 независимых эпох; Дополнительный рисунок 3f), что позволяет предположить, что локомоторные состояния не подавляют влияние оптогенетических стимуляций на тета-колебания.

Островолновые пульсации гиппокампа (КСВ) играют важную роль в консолидации памяти54–56, а стимуляция холинергических нейронов при рассеянном склерозе связана со снижением пульсирующей активности57 и нарушением рабочей памяти45. Хотя мы практически не обнаружили экспрессии ChrimsonR в холинергических нейронах рассеянного склероза, было важно измерить влияние нашей оптогенетической стимуляции рассеянного склероза на физиологию пульсации. С этой целью мы записали CA1-LFP и выполнили скремблдоптогенную стимуляцию 5s ON и 5s OFF у свободно ведущих себя мышей, исследующих открытое поле (дополнительный рисунок 4a). Мы измерили атрибуты пульсационных событий до и во время скремблированной стимуляции и не обнаружили изменений мощности (непарный двусторонний t-критерий, t6=0.076, p=0.941; дополнительный рисунок 4b, слева панель), частота встречаемости (неспарный, двусторонний t-критерий, t6=-1,688, p=0.142; дополнительный рис. 4c, левая панель) или ширина (неспарный, двусторонний t-критерий, t6=0.124, p=0.905; Дополнительный рисунок 4d, левая панель).

Аналогично, применение оптогенетической стимуляции частотой 8 Гц не оказало заметного влияния на мощность пульсаций (непарный двусторонний t-критерий, t6=0.378, p=0.718; дополнительный рисунок 4b, правая панель). частота (неспарный, двусторонний t-критерий, t{{10}} -1,643, p=0.151; дополнительный рис. 4c, правая панель) и ширина (неспарный, двусторонний t-критерий) t-тест, t6=-0,138,p=0,894; Дополнительный рисунок 4d, правая панель). Вместе с нашими гистологическими результатами и предыдущим сообщением о том, что оптогенетическая стимуляция холинергических нейронов рассеянного склероза снижает возникновение SWR57, мы обнаруживаем, что эти оптогенетические стимуляции не влияют на холинергические входы в гиппокамп.

For more information:1950477648nn@gmail.com