Оптогенетическое скремблирование частот тета-колебаний гиппокампа отделяет поиск рабочей памяти от пространственно-временных кодов гиппокампа. Часть 2

Сочетание оптогенетической стимуляции рассеянного склероза и визуализации кальция в гиппокампе

Чтобы изучить влияние тета-манипуляций на пространственные и временные коды гиппокампа, мы объединили оптогенетическую стимуляцию MS с визуализацией кальция в CA1. Эта экспериментальная парадигма поднимает две потенциально важные проблемы: имплантаты линз GRIN вызывают повреждение тканей, что может изменить физиологическое состояние тета-колебаний, а спектр длин волн возбуждающего светодиода, используемого для возбуждения GCaMP6f, потенциально может перекрываться со спектром опсина, расположенного на концевых волокнах ГАМКергических волокон MS в гиппокамп.

Гиппокамп — очень важная структура мозга. Он в основном отвечает за хранение и обработку информации в памяти. Как мы все знаем, память является важной частью интеллектуальной деятельности человека и важным способом общения и взаимодействия с окружающей средой. Поэтому функция гиппокампа имеет решающее значение для нашей жизни.

Гиппокампальное пространство — это способ описания того, как пространственная информация обрабатывается в нашем мозгу. Это относится к активной области группы нейронов нашего мозга, которая обрабатывает пространственную информацию. Эта область называется парагиппокампальной областью и тесно связана с морским коньком. Исследования показывают, что область рядом с гиппокампом обрабатывает информацию, связанную с пространством и памятью, и является ключевой частью процесса нашей памяти.

В частности, обработка пространственной информации гиппокампом в основном включает в себя два аспекта. Первый аспект — это наше чувство направления и способность ориентироваться. Когда мы идем, гиппокамп записывает наши шаги и положение, сохраняя нашу ориентацию в пространстве. Если наш гиппокамп поврежден, это может вызвать такие проблемы, как дезориентация или невозможность найти дорогу домой.

Еще одним аспектом является способность памяти. Люди используют пространственную информацию, предоставляемую гиппокампом, чтобы помочь людям запоминать. Если мы испытываем что-то в определенном месте, гиппокамп сохранит эту информацию, и мы сможем узнать об этом опыте или людях посредством воспоминаний.

Мы постоянно укрепляем нашу память посредством обучения, и гиппокамп играет решающую роль в этом процессе. Из-за важности гиппокампа нам необходимо уделять внимание его здоровью и защищать его с помощью некоторых методов. Судоку, бег, изучение новых навыков и т. д. — все это может улучшить нашу память и защитить здоровье нашего гиппокампа.

Таким образом, диета, физические упражнения и поддержание хорошего сна могут помочь нам защитить гиппокамп и улучшить нашу память. Имея ясный ум и сильную память, мы можем лучше понять мир и создать лучшую жизнь. Видно, что нам необходимо улучшить нашу память. Cistanche Deserticola может значительно улучшить память, поскольку Cistanche Deserticola также может регулировать баланс нейротрансмиттеров, например, повышая уровень ацетилхолина и факторов роста. Эти вещества очень важны для памяти и обучения. Кроме того, мясо также может улучшить кровоток и способствовать доставке кислорода, что может гарантировать, что мозг получает достаточное количество питательных веществ и энергии, тем самым повышая жизнеспособность и выносливость мозга.

Нажмите «Знайте добавки для улучшения памяти»

Чтобы проверить, изменили ли имплантаты линз GRIN физиологию теты, мы сначала имплантировали мышам линзу GRIN в правый гиппокамп и два электрода в левый и правый гиппокампы и обнаружили сопоставимые тета-сигналы в обоих полушариях (рис. 3а). Мы сравнили тета-колебания во время исследования открытого поля у мышей с линзой GRIN и прикрепленным электродом LFP с мышами только с электродами и не обнаружили существенных различий между обеими группами (рис. 3b). Мы не обнаружили какой-либо существенной разницы между относительной тета-мощностью у мышей, которым имплантировали линзу GRIN и электрод LFP (0.14 ± 0.007) по сравнению с только электродом ( 0,154 ± 0,008; t-критерий, t54=1.060, p=0.29).

Хотя в предыдущих отчетах описывалось, что сочетание оптогенетической стимуляции ChrimsonR в телах клеток с визуализацией нейронов GCaMP вблизи терминалей возможно с минимальными перекрестными помехами53, мы затем отслеживали любую потенциальную активацию опсина терминалей MS в гиппокампе путем регистрации CA1- LFP при излучении возбуждающего света с помощью нашего минископа через линзу GRIN. После калибровки выходной мощности света мини-скопа (рис. 3c) мы не обнаружили влияния синего возбуждающего света мини-скопа на эндогенную тета-мощность (1ANOVA, F(4,295)= 0.7729, p=0.5435). 3d). Поскольку сообщалось, что возбуждающий свет минископа может вызывать легкую деполяризацию терминалей, трансфицированных ChrimsonR53, потенциально препятствуя дальнейшей оптогенетически-индуцированной деполяризации, мы затем применили MS-оптогенетическую стимуляцию при визуализации с ~0.3 мВт. /мм2 мощности светодиода мини-скопа и смогли значительно нарушить или стимулировать тету-тету с помощью скремблированной стимуляции или стимуляции 8 Гц соответственно (тест Фридмана χ2=6.000,p=0.0278; рис. 3e) .

Нарушение тета-ритмов модулирует небольшую часть клеток CA1.

Затем мы выполнили фазовую (5 с ВКЛ, 5 С ВЫКЛ) оптогенетическую стимуляцию МС, одновременно записывая пирамидные клетки CA1, когда мыши свободно исследовали открытое поле (рис. 4а). Мы обнаружили, что часть зарегистрированных клеток в этих условиях последовательно возбуждалась, а другая - тормозилась (рис. 4б; см. Методика). Активность пирамидных клеток во время стимуляции в целом была ниже по сравнению с исходным уровнем как для смешанной стимуляции во время бега (корреляция Пирсона, R2=0.567, p Меньше или равно 0.0 0{{20}}1) и периоды покоя (R2=0.521, p Меньше или равно 0,0001), а также для стимуляции частотой 8 Гц (R{{ 14}}.6, p Меньше или равно 0,0001 для периодов отдыха; R2=0.632, p Меньше или равно 0,0001 для периодов бега; n=1849 ячеек, N=5 мыши (рис. 4в). В целом, ~6,42 ± 0,52% от общего числа клеток были значительно модулированы с помощью перемешанной оптогенетической стимуляции (рис. 4d). Среди этих модулированных клеток 50,56 ± 6,38% были ингибированы, а 49,43 ± 6,38% были возбуждены (n=1849 клеток, N=5 мыши; рис. 4e).

Затем мы проанализировали влияние оптогенетической стимуляции на пространственную настройку нейронов гиппокампа, когда мыши свободно исследовали открытое поле. С этой целью мы рассчитали карты уровня активности, используя эпохи внутри или вне периодов стимуляции (для базового состояния мы включили эпохи, которые следовали той же схеме 5 с ВКЛ, 5 с ВЫКЛ, которая использовалась для фактической стимуляции; рис. 4f). Затем стабильность рассчитывали как корреляцию между картами скорости для базовой линии и эпох стимуляции. Несмотря на вышеупомянутые изменения в общей активности, карты скорости не показали изменений пространственной стабильности ни для скремблирования, ни для стимуляции частотой 8 Гц (Краскал-Уоллис H3=3.5, p=0.1773; рис. 4g).

Оптогенетическая стимуляция рассеянного склероза меняет поведение, но не пространственно-временные коды

Чтобы оценить влияние тета-нарушения на временные и пространственные коды, мы отслеживали активность пирамидных нейронов CA1 на линейной дорожке 3-тона (рис. 5а). Здесь мы используем одно из основных преимуществ визуализации кальция, которое заключается в возможности регистрировать записанные клетки в течение нескольких дней, выполняя скремблированную стимуляцию или стимуляцию частотой 8 Гц в выбранные дни (рис. 5b, c, нижняя панель). Мы сосредоточили наш анализ на парах дней с одинаковым интервалом времени (48 часов) между тестированием (рис. 5в, верхняя панель). Для каждого условия мы оценили долю всех клеток, значимо кодирующих одну или несколько переменных, и не обнаружили влияния ни 8 Гц, ни скремблированной стимуляции на пространственное и временное кодирование (RM-ANOVA; F2=0.807, p {{11) }}.453 для основного эффекта стимуляции; F6=1.283, p=0.285 для взаимодействия между стимуляцией и кодируемой переменной, n=5 мышей; рис. 5d).

Хотя доля клеток не менялась в условиях стимуляции, мы оценили влияние стимуляции MS на стабильность кривых настройки клеток, модулированных местом, временем и расстоянием. С этой целью мы отслеживали нейроны в течение нескольких дней (рис. 5в; см. «Методы») и рассчитывали стабильность полей места и времени как парную корреляцию между полями в течение 48 часов. Поскольку известно, что CA1 демонстрирует заметное переназначение в течение нескольких дней, мы также использовали пару дней без стимуляции, чтобы вычислить базовый показатель стабильности, который будет использоваться в качестве эталона (рис. 5e-g). Мы не обнаружили никаких изменений в стабильности во время стимуляции MS для клеток, модулированных местом (1ANOVA, F2=1.907, p=0.1511; n=205 пар клеток, собранных из N=5 независимые мыши; рис. 5h), модулированные по времени клетки (1ANOVA, F2=2.201, p=0.113; n=227 пар клеток, объединенных из N=5 независимых мыши; рис. 5i) и клетки с дистанционной модуляцией (1ANOVA,F2=0.6962, p= 0.5024; n=64 пар клеток, объединенных из N=5 независимых мыши (рис. 5к). Мы также распространили тот же анализ на конъюнктивнейроны (т.е. нейроны, которые могут кодировать более одной переменной; дополнительный рисунок 5a–f) и не обнаружили влияния оптогенетической стимуляции на стабильность конъюнктивного пространства (1ANOVA, F2=3.731, p=0.0661;N=4 независимые мыши; Дополнительный рисунок 5g), временной (1ANOVA,F2=1.993, p=0.8228; N {{47) }} независимые мыши; дополнительный рисунок 5h) и дистанционные ячейки (1ANOVA, F2=0.469, p=0.6400; N=4 независимые мыши; дополнительный рисунок 5i).

Затем мы оценили качество пространственно-временных кодов с использованием анаивного байесовского классификатора для декодирования местоположения (рис. 6a, b), времени (рис. 6cd) и пройденного расстояния (рис. 6e, f), используя случайные бутстреп-выборки (n {{3 }} выборки начальной загрузки, n=160 ячеек на выборку). Ошибки декодирования были систематически ниже, чем у перетасованных суррогатов, в том числе при 8 Гц или скремблированной стимуляции местоположения (2ANOVA,F5=2172, p Меньше или равно 0.0001; n=50 бутстреп-выборки от одной репрезентативной мыши, фиг. 6а), время (2ANOVA, F5=1292, p Меньше или равно 0,0001;n=50 бутстрап-образцы от одной репрезентативной мыши; Рис. 6c) и расстояние (2ANOVA, F5=1964, p Меньше или равно 0,0001; n=50 бутстрепс-выборок от одной репрезентативной мыши; Рис. 6e), что указывает на то, что пространственно-временные коды сохранялись во время стимуляции. Чтобы оценить межиндивидуальную значимость пространственно-временных кодов, ошибка декодирования оценивалась с использованием как фактических, так и перетасованных результатов (см. «Методы») для данного дня для каждой мыши (рис. 6b, d, f). Оптогенетический контроль MS не проводился. значительно изменить кодирование местоположения (1ANOVA, F2,11=2.2332, p= 0.1432; мыши N=5; размер эффекта η2=0.29; рис. 6b), время (1ANOVA, F2,11=0.4561, p=0.6452; N=5 мышей; размер эффекта η2=0.07; рис. 6d) или расстояние ( 1ANOVA,F2,11=0.6102, p=0.5606, N=5 мышей, величина эффекта η2=0.09; Фиг. 6f).

В поведенческой парадигме, используемой для анализа временной модуляции активности нейронов, мышей регулируют потребление воды и обучают собирать вознаграждения. Основываясь на этом предположении, мы количественно оценили количество возвратов на пустое место вознаграждения как ошибки и вычислили процент правильных попыток от общего числа попыток в качестве показателя производительности (рис. 6g). В этих условиях мы обнаружили значительный эффект оптогенетической стимуляции на производительность в течение нескольких дней (тест Фридманаχ2=6.000, p=0.0278) и, в частности, значительную разницу в производительности между исходными показателями. (78,70 ± 2,45%) и скремблированная стимуляция (44,44 ± 5,56%; множественные сравнения, мыши p=0.0429;N=3; рис. 6h). В этот анализ были включены только мыши с минимум 12 сериями. Из-за ограничений этой задачи (низкая когнитивная нагрузка и небольшое количество протестированных мышей) затем мы решили оценить эффект оптогенетической стимуляции РС в стандартизированных задачах на память.

Нарушение тета-сигналов ухудшает пространственное распознавание и восстановление рабочей памяти.

Чтобы проверить роль тета-сигналов в пространственной памяти, мы использовали специальную группу мышей, которым вводили ChrimsonR и имплантировали оптоволокно в МС (рис. 7а, левая панель). Мышам была поставлена ​​задача по распознаванию новых объектов (NPOR) (рис. 7а, правая панель). Чтобы оценить роль тета-колебаний в кодировании и извлечении памяти, мы рис. 7|Оптогенетические стимуляции рассеянного склероза нарушают поддержание и воспроизведение, но не кодирование эпизодической и рабочей памяти. a Мышам имплантировали оптоволокно в МС после трансфекции ChrimsonR (вверху). Затем им было предложено задание на распознавание нового объекта (внизу, см. «Методы»). b В этой задаче как зашифрованная (красная), так и 8 Гц (синяя) стимуляция во время извлечения, а также 8 Гц (зеленая), но не зашифрованная (желтая) стимуляция во время кодирования нарушили работу памяти (2ANOVA, F4, 31=3). 283 для основного эффекта лечения, p=0,0097; размер эффекта для основного эффекта группы, η2p=0,306; N=12 мышей). с

Чтобы дополнительно изучить влияние стимуляции MS на кодирование, поддержание и извлечение памяти, мышей обучали задаче отсроченного несоответствия образцу (DNMTS) в автоматическом Т-образном лабиринте. d Мышей, трансфицированных ChrimsonR (красный) или YFP (черный), обучали (в отсутствие стимуляции) выбирать правильную, несовпадающую руку до тех пор, пока производительность не превышала критерий 0.8 порций правильного выбора в день, для по крайней мере два дня подряд (зеленая полоса; RM-ANOVA, F8=8.738,p Меньше или равно 0.0001 для основного эффекта тренировочных дней; попарные множественные сравнительные тесты Тьюки между группами, p=0.420; N=17 мышей). e-g Производительность во время стимуляции на разных этапах задачи для мышей, которым вводили ChrimonR (вверху) или контрольную группу YFP (внизу). Красная штриховка указывает на стимулированные участки лабиринта. e Среднедневная производительность при выполнении стимуляции MS только во время кодирования (RMANOVA, F11=2.197, p=0.547; N=17 мыши). f Средняя дневная производительность при выполнении стимуляции MS только в течение периода задержки 10 с (RM-ANOVA, F11=3.483,p=0.0495; размер эффекта для основного эффекта лечения, η2p {{ 25}}.109; N=17 мышей).g Средняя дневная производительность при выполнении стимуляции MS во время только извлечения (RM-ANOVA, F11=3.265, p=0.050; N { {33}} мыши).

Все столбчатые и линейные графики представляют собой среднее значение ± SEM по крайней мере трех независимых экспериментов. Статья https://doi.org/10.1038/s41467-023-35825-5Nature Communications|(2023) 14:410 10выполнили оптогенетическую стимуляцию специально на этапах отбора проб и тестирования и рассчитали индекс распознавания (RI; см. «Методы»). При стимуляции во время извлечения производительность памяти была значительно снижена как у скремблированных (0.472 ± 0.048 RI, n {{10}} мышей), так и у 8 Группы стимуляций Гц (0.435 ± {{40}}.057 RI, n=6 мышей) по сравнению с контрольной группой YFP, которые продемонстрировали значительное увеличение исследования объектов во время тестирования (0,61 ± 0,018 RI, 2ANOVA, F4, 31=3,283 для основного эффекта лечения, p=0,0097, размер эффекта для основного эффекта группы, η2p=0,306; N {{30 }} мыши (рис. 7б). С другой стороны, скремблированная стимуляция во время кодирования не ухудшала память во время тестирования (0,60 ± 0,034 RI, p=0.0157, n=6 мышей), но стимуляция частотой 8 Гц во время кодирования снижала эффективность памяти до случайных уровней. (0,39 ± 0,074 RI, p=0.8740, n=6 мышей).

Чтобы изучить влияние оптогенетического контроля МС на определенные фазы функции рабочей памяти (кодирование, поддержание и извлечение), мышей трансфицировали ChrimsonR, имплантировали оптоволокно в МС и обучили задаче отсроченного несоответствия образцу (DNMTS). . На этапе выборки мышей заставляли бежать к случайно указанной руке, чтобы получить награду. После задержки (10 с) они могли либо бежать в противоположную ветку (правильный выбор), чтобы получить еще одну награду, либо бежать в той же ветке без награды (неправильная ветка; рис. 7в). Преимущество этой задачи заключается в возможности повторного тестирования, конкретной изоляции фаз задачи (обучение, отсрочка, тестирование) и внутрисубъектного контроля. Мышей обучали этому заданию без какой-либо стимуляции до достижения критерия 0,8 (часть правильных испытаний) в течение по меньшей мере двух дней. Контрольные мыши ChrimsonR и YFP показали значительное улучшение с течением времени (RM-ANOVA, F8=8.738,p Меньше или равно 0.00{{21} }1 для основного эффекта тренировочных дней). Важно отметить, что мы не обнаружили различий в скорости обучения между двумя группами (попарно Тьюки; p=0.420; рис. 7d). После того как мыши выучили правило, связанное с задачей DNMTS, мы оценивали производительность при подаче либо зашифрованного сигнала (0.792 ± 0.045), либо 8 Гц (0). 850 ± 0.036) оптогенетическую стимуляцию только в фазе кодирования (принудительный выбор) и не наблюдали никаких различий в производительности по сравнению с исходным уровнем (0.825 ± 0.030, РМАНОВА, F11=2.197, р=0.547, N=17; рис. 7д). При стимуляции только в течение периода задержки только скремблированные стимуляции значительно снижали производительность памяти (0,733 ± 0,057) по сравнению с исходным уровнем (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.483, p=0.0495; размер эффекта для основного эффекта лечения η2p=0.109; рис. 7е). Напротив, при стимуляции во время извлечения мыши, стимулированные частотой 8 Гц, демонстрировали значительно сниженную производительность памяти (0,675 ± 0,049) по сравнению с исходным уровнем (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.265, p=0). 050;рис.7ж). Напротив, на контрольных мышей YFP не влияли стимуляции во время кодирования (RM-ANOVA, F2=0.1314, p=0.8781), периода задержки (RMANOVA, F2=0.2020, p=0.8197) или поиск (RM-ANOVA, F2=0.0454,p=0.9557; размер эффекта для основного эффекта лечения, η2p=0 .196) рабочей памяти.

Оптогенетический контроль нейронов рассеянного склероза не изменяет локомоцию.

Важно отметить, что ранее сообщалось, что кардиостимуляция тета-колебаний может снижать двигательную скорость и ее вариабельность10, что может объяснить, по крайней мере частично, влияние оптогенетических стимуляций на рабочую и эпизодическую память. Чтобы тщательно оценить специфичность оптогенетической стимуляции MS для памяти, мы провели дополнительные эксперименты, чтобы исключить прямое влияние оптогенетической стимуляции на скорость движения. Подгруппе мышей, которым инъецировали ChrimsonRand, имплантированные оптоволокном в MS, а также электроды LFP в CA1, разрешили свободно исследовать открытое поле, подвергаясь оптогенетической стимуляции в течение 5 с, 5 с выключения (дополнительный рисунок 6a). Стимуляция 8 Гц. приводило к последовательной стимуляции колебаний гиппокампа до этой частоты (дополнительный рисунок 6b). Эти стимуляции не были связаны с какими-либо очевидными изменениями в локомоторном поведении (дополнительный рисунок 6c), включая среднюю скорость (непарный, двусторонний ttest, t116=0.4140, p=0.6796; дополнительный рисунок. 6d) и коэффициент вариации скорости (CV; непарный двусторонний t-критерий, t116=0.8296,p=0.4095, n=59 эпох стимуляции; дополнительный рисунок 6e) . Аналогичным образом, скремблированная стимуляция последовательно приводила к отмене тета-колебаний (дополнительный рисунок 6f), но не вызывала видимых изменений в локомоторном поведении (дополнительный рисунок 6g), включая среднюю скорость (непарный двусторонний t-критерий, t118=0).2268 , p=0.8210; n=60 эпох стимуляции; дополнительный рисунок 6h) и CV скорости (непарный двусторонний t-критерий, t 118=1.838, p {{36) }}.686; n=60 эпох стимуляции; дополнительный рисунок 6i).

Хотя естественная тета-частота и скорость движения коррелируют59, точное направление причинно-следственной связи между этими переменными остается плохо изученным. Чтобы ответить на этот вопрос, мы выполнили оптогенетическую стимуляцию, используя парадигму 5s ON, 5s OFF, и для каждой эпохи стимуляции выбирали случайную частоту (дополнительный рисунок 6j). Эти частоты стимуляции охватывали весь спектр тетадиапазона (дополнительный рисунок 6k). Как и ожидалось, мы обнаружили, что частота естественных тета-колебаний напрямую коррелирует со скоростью бега для одного примера мыши (R2=0.1114, p меньше или равно 0.0001; дополнительный рис. 6l). Важно отметить, что когда частота тета-колебаний является результатом MSоптогенетического контроля, корреляция падает ниже случайного уровня (R2=0.0006779, p=0.6244; дополнительный рис. 6m), что позволяет предположить, что передвижение диктует тета-частоту, но не противоположный. Мы систематически воспроизводили эти результаты на мышах и наблюдали снижение корреляции между тета-частотой и скоростью движения при оптогенетическом контроле стимуляции (парный t-критерий, t3=3.922, p=0.0295;N {{20) }} мыши; дополнительный рисунок 6n). В целом эти результаты подтверждают, что наша оптогенетическая стимуляция не меняет локомоторное поведение, что очень важно для следующих поведенческих исследований.

For more information:1950477648nn@gmail.com