Optogenetisk frekvensforvrængning af hippocampus tetaoscillationer adskiller arbejdshukommelseshentning fra hippocampus spatiotemporale koder, del 1

Den præcise tidsmæssige koordinering af aktivitet i hjernen menes at være grundlæggende for hukommelsesfunktionen. Inhiberende neuroner i den mediale septum giver en fremtrædende kilde til innervation til hippocampus og spiller en stor rolle i at kontrollere hippocampus theta (~8 Hz) svingninger. Mens farmakologisk hæmning af mediale septale neuroner er kendt for at forstyrre hukommelsen, er den nøjagtige rolle af septale inhiberende neuroner i reguleringen af ​​hippocampale repræsentationer og hukommelse ikke fuldt ud forstået.

Forholdet mellem hjerneaktivitet og hukommelse er tæt forbundet. Vores hukommelse er tæt knyttet til vores hjernes funktion, et af de vigtigste organer i vores krop, der styrer, hvordan vi tænker, føler og handler. Derfor, hvis vi vil have bedre minder, skal vi bruge vores hjerner mere effektivt.

Først skal vi forstå, hvordan vores hjerner fungerer. Der er en del af hjernen kaldet hippocampus, som er vores hukommelsescenter. Det er ansvarligt for at konvertere bearbejdet information til langtidshukommelse og lagre det i vores hjerner. De faktorer, der påvirker funktionen af ​​hippocampus, er hovedsageligt hjernens blodcirkulation og mængden og kvaliteten af ​​nerveceller.

For det andet bør vi være opmærksomme på at holde hjernen aktiv. Ved konstant at lære nye ting, engagerer hjernen sig oftere i informationsbehandling og hukommelsesgenkaldelse, hvilket fremmer hippocampus sundhed og fremmer forbedret hukommelse. Derfor kan vi holde vores hjerner aktive og forbedre vores hukommelse ved at læse bøger, lære sprog, træne hukommelse mv.

Endelig skal vi være opmærksomme på at opretholde gode levevaner. For eksempel kan det at få nok søvn, spise en afbalanceret kost og motionere regelmæssigt hjælpe med at fremme en sund hjerne og krop og derved forbedre vores hukommelse.

Kort sagt er hjerneaktivitet og hukommelse tæt forbundet. Vi kan fremme hjernens sundhed og træning i mange aspekter og derved forbedre vores hukommelse og klare forskellige udfordringer i liv og arbejde. Det kan ses, at vi skal forbedre vores hukommelse. Cistanche deserticola kan forbedre vores hukommelse markant, fordi Cistanche deserticola er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale, der har mange unikke effekter, hvoraf den ene er at forbedre hukommelsen. Effektiviteten af ​​hakket kød kommer fra de forskellige aktive ingredienser, det indeholder, herunder syre, polysaccharider, flavonoider osv. Disse ingredienser kan fremme hjernens sundhed på forskellige måder.

Klik på Kend korttidshukommelse, hvordan du forbedrer

Her adskiller vi theta-rytmernes rolle i spatiotemporal kodning og hukommelse ved hjælp af en alt-optisk interrogation og optagelsestilgang. Vi finder ud af, at optogenetiske frekvenskrypteringsstimuleringer afskaffer theta-oscillationer og modulerer en del af neuroner i hippocampus. En sådan stimulering reducerede episodisk og arbejdshukommelseshentning, mens den efterlod hippocampus spatiotemporal kode intakt. Vores undersøgelse tyder på, at theta-rytmer spiller en væsentlig rolle i hukommelsen, men måske ikke er nødvendige for hippocampale spatiotemporale koder.

Den præcise tidsmæssige koordinering af neuronal aktivitet menes at være fundamental for hukommelseskodning og genfinding. Især er den mediale septum (MS) blevet foreslået til at fungere som den vigtigste zeitgeber til nedstrøms strukturer og giver de største subkortikale input til hippocampus1. MS er en neurokemisk heterogen struktur bestående af GABAergic2, hovedsageligt parvalbumin (PV)-positive neuroner3, sammen med cholinergic4 og en mindre population af glutamaterge neuroner5,6.

MS PV-celler projicerer direkte på GABAergicinterneuroner i hippocampus, hvilket giver anledning til feedforward inhiberende kontrol af hippocampus pyramidale celler3. Derudover er PV interneuroner i hippocampus essentielle i pacing af theta (~8 Hz) rytmer7, og optogenetisk stimulering af MS PV neuroner direkte8,9 eller af deres terminaler10 i hippocampus er forbundet med frekvensspecifik pacing af hippocampus oscillationer, hvorimod inhibering af MSin vivotion. har været forbundet med reduceret theta-oscillationskraft11-13.

Mens fuldstændig MS optogenetisk hæmning er blevet forbundet med rumlig hukommelsessvækkelse14, kan disse effekter potentielt tilskrives forstyrrelse af kolinerge funktioner15,16, som vides at være kritiske for hukommelsen. For nylig er aktiviteten af ​​noncholinerge MS PV-celler nødvendig for hukommelseskodning og genfinding17,18. Navnlig er hippocampus også en kernestruktur for episodisk 19,20 og working21 hukommelse. Da MS er afgørende for at generere og opretholde hippocampus theta-rytmer, vil forstyrrelse af MS-aktivitet sandsynligvis påvirke downstream hippocampalfysiologi og arbejdshukommelse22.
Selvom de nøjagtige fysiologiske mekanismer for hippocampus-afhængig hukommelse i øjeblikket er ukendte, er det blevet foreslået, at hippocampus stedceller23, der koder for specifikke steder i en given kontekst, kunne understøtte episodicmemory24. I det hippocampale subfelt CA1 afhænger rumlig tuning af kontekstuelle sensoriske input25. Andre variabler såsom tid og afstand kan også kodes under visuelt styret bevægelse26,27 men også i fravær af sensoriske signaler28, sandsynligvis ved hjælp af intern information, herunder selvbevægelse29 (se Mehta30 og McNaughton31 for gennemgang).

Repræsentationer af tid og rum kan repræsenteres konjunktivt inhippocampale neuroner, og sådanne multipleksede spatiotemporale koder kunne være et kandidatsubstrat for arbejdshukommelse 32-34. Ud over at fastspænde distale visuelle signaler ved hjælp af et løbebånd35–37 eller ved hjælp af virtual reality-paradigmer26,27,38, er spatiotemporale koder også blevet udtrukket analytisk ved hjælp af generaliserede lineære modeller, der implementerer rum, tid og afstand37. Sådanne tilgange er imidlertid ikke blevet anvendt i vid udstrækning på optagelser af neuronal aktivitet under fri udforskning.

Adskillige undersøgelser tyder på, at hippocampus theta-rytmer kan ligge til grund for tidsmæssige koder, da theta-rytmer stramt orkestrerer hippocampus aktivitet. Mens tidsceller også er blevet rapporteret i både CA1 og CA3 af gnavere, der udfører opgaver, der ikke kræver arbejdshukommelse41, resulterer farmakologisk hæmning af MS i specifik afbrydelse af tid, men ikke stedceller og er forbundet med nedsat arbejdshukommelse36. En vigtig ulempe ved farmakologiske tilgange er, at de ikke skelner mellem det relative bidrag af GABAerge celler versus cholinerge celler til hukommelsesfunktionen. Især viste hæmning af MS kolinerg aktivitet at ændre hippocampalspatiale repræsentationer43 og reducere arbejdshukommelsens ydeevne44,45. Overraskende nok var farmakologisk hæmning af MS forbundet med reduceret theta-oscillationskraft, men ikke placefields46, og denne modstandsdygtighed af stedcelleaktivitet under formindsket theta skyldtes ikke erfaringsrelaterede plasticitetsmekanismer47.

Tidligere forsøg på at hæmme MS GABAerge interneuroner specifikt ved brug af optogenetik var kun forbundet med en delvis reduktion, men ikke fuldstændig afbrydelse af theta-signaler13. Til gengæld er optogenetisk pacing af theta-oscillation kun blevet forbundet med mindre ændringer i placecellekarakteristika, herunder et lille skift i affyringsfrekvens9 og fase48. Derudover, mens det antages, at MS-input direkte kunne kontrollere hippocampus temporale koder, mangler der stadig årsagsbeviser. Til denne dag er den nøjagtige rolle af MS-PV neuroner i orkestrering af hippocampale spatiotemporale koder og hukommelse stadig ukendt.

Her kontrollerede vi MS PV-aktivitet ved hjælp af optogenetik til at pace eller afskaffe theta-oscillationer ved hjælp af en rødforskudt excitatorisk opsin. Vi foreslår en tilgang til fuldstændigt at afskaffe hippocampale hjerterytmer baseret på optogenetiske frekvens-scramble-stimuleringer af MS-neuroner. Alternativt giver pacing af theta-rytmer ved deres naturlige frekvens i de samme dyr kontroller inden for emnet. Vi kombinerede optogenetisk kontrol med calcium-billeddannelse af CA1-pyramidalceller i mus, der kører på et lineært spor med sekventielle toner.

Under disse forhold kunne vi adskille sted, tid og afstandsceller ved hjælp af en informationsteoretisk tilgang. Ved udførelse af optogenetisk frekvensforvrængning af theta-signaler blev både sted- og tidsrepræsentationer bevaret, og kun en lille delmængde af CA1-pyramideceller blev moduleret ved stimulering. Vi fandt dernæst, at ablation af thetaoscillation var forbundet med nedsat arbejdshukommelseshentning, hvilket tyder på, at MS PV-celler spiller en kritisk rolle i at generere hippocampale theta-oscillationer, der er nødvendige for hukommelseshentning, men ikke er involveret i spatiotemporale repræsentationer.

Resultater

CA1 pyramideceller koder spatiotemporal information

For at undersøge de spatiotemporale koder i store populationer af CA1-hovedceller injicerede vi en viral vektor, der udtrykker GCaMP6fast under en CamKII-promotor i CA1-regionen af ​​hippocampus, implanterede aGRIN-linse over injektionsstedet og udførte calcium-billedoptagelser af pyramidale neuroner ved hjælp af open-source miniskoper49 ,50 (fig. la, b; se supplerende fig. 1 for detaljeret histologi). Vi ekstraherede rumlige fodspor af neuroner (fig. 1c) og deres tilsvarende calciumtransienter (fig. 1d) ved hjælp af CNMFe51. For at skille hovedcellernes rumlige og tidsmæssige afstemningsegenskaber fra hinanden, udviklede vi en opgave, der kombinerer et lineært spor med tre-tone signaler udløst af bevægelsessensorer i begge ender af sporet. En ny tone blev øjeblikkeligt udløst i slutningen af ​​hver kørsel, der informerede musene om deres progression mod belønning.

Hvert fjerde løb blev cued med en høj, kontinuerlig tone, der var forbundet med leveringen af ​​en belønning i slutningen af ​​det lineære spor (fig. 1e). Den absolutte placering af hver mus sammen med den forløbne tid og den tilbagelagte afstand siden afgang fra belønningsstedet blev overvåget (fig. 1f). Ved hjælp af disse variabler og binariseret neuronal aktivitet beregnede vi probabilistiske tuningkurver (fig. 1g) og afledte gensidig information (MI) mellem neuronal aktivitet og placering, tid samt afstanden for hver registreret celle. I modsætning til korrelationsbaserede analyser antager MI ikke lineære, monotone sammenhænge mellem neuronal aktivitet og adfærdsvariable, men udtrykker snarere mængden af ​​usikkerhed for en variabel, der kan forklares af den anden.

Betydningen af ​​MI-værdier blev testet ved hjælp af blandede surrogater, der gennemgik cirkulære permutationer (n {{0}}) for at bevare temporaldynamikken af ​​calciumtransienter. Neuroner, der udelukkende kodede én variabel med en MI større end blandede surrogater 95 % af tiden (p Mindre end eller lig med 0,05) blev mærket som enten stedmoduleret (rumlig), tidsmoduleret (temporel) eller afstandsmoduleret (se Metoder). Til de følgende analyser fokuserede vi på kandidatceller, der kun kodede signifikant variabel (fig. 1h). Det er vigtigt, at tidsmodulerede celler ikke var systematisk aktive på bestemte steder, og stedmodulerede celler var ikke systematisk aktive på et givet tidspunkt (fig. 1i,j).

Mens størstedelen af ​​celler, der koder for en enkelt variabel, var sted-moduleret, var en stor del af neuroner konjunktive neuroner, der kodede for mere end én variabel (17,98 ± 1,77%). I modsætning hertil repræsenterede cellesencoding place udelukkende 9.02 ± 1,61 % af den samlede registrerede population, mens 1,79 ± 0,68 % selektivt kodet afstand og 1,27 ± 0,09 % selektivt kodet tid (fig. 1k; yderligere eksempler på neuroner indstillet til tid, rum eller afstand sammen med deres informationsindhold er vist i supplerende figur 2).

Selvom vores informationsteoretiske tilgang kan adskille overlappende variable ved at isolere celler, der kun koder for én variabel signifikant, testede vi yderligere relevansen af ​​hver celletype i kodning af rumlige og tidsmæssige variabler ved hjælp af en naiv Bayesiansk klassifikator til at afkode placering (fig. 1l-n), den forløbne tid. (Fig. 1o–q), og tilbagelagt afstand (Fig. 1r–t) på det lineære spor52.

Vi estimerede den aktuelle tilstand af hver mus ved at beregne den maksimale a posteriori-værdi (MAP) givet neuronal aktivitet og støvlebundne tuningkurver beregnet ved hjælp af faktisk eller cirkulært blandet binariseret aktivitet (fig. 1l, o, r; se Metoder for detaljeret protokol). Kvaliteten af ​​forudsigelser blev vurderet ved hjælp af konfusionsmatricer (fig. 1m, p, s) og ved at beregne Euklide-distancen mellem den forudsagte tilstand og den faktiske tilstand (fig. 1n,q, t). Det er vigtigt, at vores Bayesianske dekoder gav en gennemsnitlig fejl på 16,58 cm, hvilket var væsentligt lavere end ved afkodning fra blandede surrogater (5{{10}},95 cm; parret t-test, t4=19.75 ,p Mindre end eller lig med 0.0001), og afkodning ved hjælp af rumligt modulerede celler var væsentligt mere nøjagtig end ved brug af ikke-rumligt modulerede celler (parret t-test, t4=34.54, p Mindre end eller lig med 0,0001, fig. 1n). Tilsvarende var den gennemsnitlige afkodningsfejl for forløbet tid 6,45 s, hvilket var signifikant lavere end fejl beregnet ved hjælp af blandede surrogater (19,12 s; parret t-test, t4=18.01, p Mindre end eller lig med 0,0001).

Afkodning ved hjælp af tidsmodulerede celler gav signifikant bedre nøjagtighed sammenlignet med ikke-tidsmodulerede celler (parret t-test, t4=3.163, p=0.0341;Fig. 1q) . Endelig var den gennemsnitlige afstandsfejl ved brug af vores dekoder 61,40 cm, hvilket var væsentligt lavere end for blandede surrogater (189,6 cm; t-test, t4=28.79, p Mindre end eller lig med 0,0001). Afkodning ved hjælp af afstandsmodulerede celler gav signifikant lavere fejl sammenlignet med ikke-afstandsmodulerede celler (t-test, t4=4.595,p=0.0101; Fig. 1t).

Selektiv MS optogenetisk kontrol af theta-oscillationer

For at undersøge det relative bidrag fra MS-genererede theta-signaler til hippocampale spatiotemporale koder, transficerede vi den rødforskydne excitatoriske opsin ChrimsonR i MS (fig. 2a). I modsætning til inhibitoriske opsiner tillod ChrimsonR os enten at scramble eller pace theta-signaler i forsøgspersoner. Derudover er ChrimsonR mere effektivt end det mere udbredte Channelrhodopsin-2 og giver mulighed for at kombinere optogenetik med calcium-billeddannelse53. 14,91 ± 3,57% af PV-celler udtrykte ChrimsonR, som vi fandt tilstrækkeligt til at udøve gennemgribende kontrol over hippocampus-oscillationer (n=4 mus; Fig. 2b, c). I modsætning hertil fandt vi praktisk talt ingen ekspression af ChrimsonR i ChAT-celler (1,05 ± 1,052% af ChAT-celler udtrykte også ChrimsonR; fig. 2d, e).

Vi implanterede derefter mus med fiberoptik over MS. Vi udførte 638 nm laserstimulering, mens vi optog lokale feltpotentialer (LFP) i CA1 (fig. 2f). Vi fandt ud af, at MS forvrænget og 8 Hz optogenetisk stimulering kunne forstyrre eller fremskynde theta-oscillationer, henholdsvis (fig. 2g). Mens baseline naturlig theta viser en vis frekvensvariabilitet i 4-12 Hz frekvensbåndet, førte 8 Hz-stimuleringer til konsistente og stabile hippocampale oscillationer ved den frekvens. I modsætning hertil ophævede scramblede stimulationer konsekvent theta-rytmer (fig. 2h).

Vi fandt, at oscillationsstyrken (OS) i thetheta-båndet (se Metoder) blev signifikant reduceret ved scrambled-stimuleringer ({{0}}.45 ± 0.01) sammenlignet med baseline-epoker (0.67 ± {{10}}.01,p Mindre end eller lig med 0.00{ {29}}1) og var ikke signifikant forskellige fra OS for hvidstøjskontrolsignalet (0.50 ± 0.01, p=0.99). På den anden side øgede 8 Hz-stimuleringer theta-effekten signifikant (0,82 ± 0,01,p Mindre end eller lig med 0,0001; n=59 epoker; Fig. 2i) sammenlignet med forvrængede stimulationer. Vi fandt også en signifikant interaktion mellem vores stimuleringsmønstre og LFP-frekvensbåndet (F10=6.467, p Mindre end eller lig med 0,0001). Især forvrænget frekvensstimulering reducerede theta-effekten signifikant (0,341 ± 0,06 del af baseline-theta-båndeffekten; p=0.0394, parvis t-test), mens 8 Hz-stimuleringer signifikant øgede theta-effekten (3,302 ± 0,76 båndeffekt af baseline-theta-båndet) , p=0.0004, parvis t-test; Fig. 2j) efterlader andre frekvensbånd uændrede.

Mens vores calcium-billeddannelse og elektrofysiologiske analyser kun omfattede perioder med bevægelse (se Metoder), fandt vi også ud af, at vi var i stand til pålideligt at ophæve (Supplerende Fig. 3a, b) eller tempo (Supplerende Fig. 3a, c) theta-oscillationer uanset bevægelsestilstand( inklusive perioder med hvile). Mens naturlig theta OS er korreleret til bevægelseshastighed (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 uafhængige epoker; Supplerende Fig. 3d), førte afskaffelse af theta til et tab af sådanne korrelation (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 uafhængige epoker; Supplerende Fig. 3e), ligesom 8 Hz-stimuleringer (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 uafhængige epoker; Supplerende figur 3f), hvilket tyder på, at bevægelsestilstande ikke tilsidesatte virkningerne af optogenetiske stimulationer på theta-oscillationer.

Hippocampus skarpe bølgebølger (SWR'er) spiller en væsentlig rolle i hukommelseskonsolidering54-56 og stimulering af MS kolinerge neuroner er blevet forbundet med reduceret krusningsaktivitet57 og svækket arbejdshukommelse45. Selvom vi stort set ikke fandt nogen ekspression af ChrimsonR i MS kolinerge neuroner, var det vigtigt at måle virkningen af ​​vores MS optogenetiske stimulering på krusningsfysiologi. Til dette formål optog vi CA1-LFP og udførte 5s ON og 5s OFF scrambledoptogenetisk stimulering i frit opførte mus, der udforskede et åbent område (Supplerende Fig. 4a). Vi målte attributter for krusningshændelser før og under forvrænget stimulering og fandt ingen ændringer i kraft (uparret, to-halet t-test, t6=0.076, p=0.941; Supplerende Fig. 4b, venstre panel), hyppighed af forekomst (uparret, two-tailedt-test,t6=−1,688, p=0.142; Supplerende Fig. 4c, venstre panel) eller width(upared, two-tailed t-test, t6=0.124, p=0.905; Supplerende fig. 4d, venstre panel).

Tilsvarende havde anvendelsen af ​​8 Hz optogenetisk stimulation ingen mærkbar effekt på krusningseffekten (uparret, to-halet t-test,t6=0.378, p=0.718; Supplerende Fig. 4b, højre panel), frequency(upared, two-tailed t-test, t{{10}} −1.643, p=0.151; Supplerende fig. 4c, højre panel) og bredde (upared, two-tailed t-test, t6=−0.138,p=0.894; Supplerende Fig. 4d, højre panel). Sammen med vores histologiske resultater og en tidligere rapport om, at optogenetisk stimulering af MS cholinerge neuroner reducerer forekomsten af ​​SWRs57, finder vi, at disse optogenetiske stimulationer ikke påvirker cholinergicinput til hippocampus.

For more information:1950477648nn@gmail.com