Hippokampuksen thetavärähtelyjen optogeneettinen taajuuden sekoitus erottaa työmuistin haun hippokampuksen spatiotemporaalisista koodeista, osa 1

Aivojen toiminnan tarkan ajallisen koordinaation uskotaan olevan perustavanlaatuinen muistitoiminnalle. Mediaalisen väliseinän estävät neuronit tarjoavat merkittävän hermotuksen lähteen hippokampukselle ja niillä on tärkeä rooli hippokampuksen theta (~ 8 Hz) värähtelyjen säätelyssä. Vaikka mediaalisten väliseinän hermosolujen farmakologisen eston tiedetään häiritsevän muistia, väliseinän inhiboivien hermosolujen tarkkaa roolia aivotursokuvausten ja muistin säätelyssä ei täysin ymmärretä.

Aivojen toiminnan ja muistin välinen suhde liittyy läheisesti. Muistimme on tiiviisti sidoksissa aivoidemme toimintaan, joka on yksi kehomme pääelimistä, joka ohjaa ajatteluamme, tunnettamme ja toimintaamme. Siksi, jos haluamme parempia muistoja, meidän on käytettävä aivojamme tehokkaammin.

Ensinnäkin meidän on ymmärrettävä, miten aivomme toimivat. Aivoissa on osa nimeltä hippokampus, joka on muistikeskuksemme. Se on vastuussa prosessoidun tiedon muuntamisesta pitkäkestoiseksi muistiksi ja tallentamisesta aivoihimme. Hippokampuksen toimintaan vaikuttavat pääasiassa aivojen verenkierto sekä hermosolujen määrä ja laatu.

Toiseksi meidän tulisi kiinnittää huomiota aivojen pitämiseen aktiivisina. Jatkuvasti uutta oppimalla aivot osallistuvat tiedonkäsittelyyn ja muistin palauttamiseen useammin, mikä edistää hippokampuksen terveyttä ja parantaa muistia. Siksi voimme pitää aivomme aktiivisina ja parantaa muistiamme lukemalla kirjoja, oppimalla kieliä, harjoittelemalla muistia jne.

Lopuksi meidän on kiinnitettävä huomiota hyvien elintapojen säilyttämiseen. Esimerkiksi riittävä uni, tasapainoinen ruokavalio ja säännöllinen harjoittelu voivat edistää aivojen ja kehon terveyttä ja parantaa siten muistiamme.

Lyhyesti sanottuna aivotoiminta ja muisti liittyvät läheisesti toisiinsa. Voimme edistää aivojen terveyttä ja harjoittelua monin tavoin parantaen siten muistiamme ja selviytyä erilaisista elämän ja työn haasteista. Voidaan nähdä, että meidän on parannettava muistiamme. Cistanche deserticola voi merkittävästi parantaa muistiamme, koska Cistanche deserticola on perinteinen kiinalainen lääkeaine, jolla on monia ainutlaatuisia vaikutuksia, joista yksi on muistin parantaminen. Jauhetun lihan teho perustuu sen sisältämiin erilaisiin vaikuttaviin ainesosiin, mukaan lukien happo, polysakkaridit, flavonoidit jne. Nämä ainesosat voivat edistää aivojen terveyttä monin tavoin.

Napsauta Tiedä lyhytaikaista muistia, kuinka voit parantaa

Tässä erotamme theta-rytmien roolin spatiotemporaalisessa koodauksessa ja muistissa käyttämällä täysin optista kysely- ja tallennuslähestymistapaa. Havaitsemme, että optogeneettiset taajuuksien sekoitusstimulaatiot poistavat theta-värähtelyt ja moduloivat osaa aivotursoalueen neuroneista. Tällainen stimulaatio vähensi episodista ja työmuistin hakua jättäen samalla hippokampuksen spatiotemporaalisen koodin ennalleen. Tutkimuksemme viittaa siihen, että theta-rytmeillä on olennainen rooli muistissa, mutta ne eivät välttämättä ole välttämättömiä hippokampuksen spatiotemporaalisille koodeille.

Hermosolujen toiminnan tarkan ajallisen koordinaation uskotaan olevan perustavanlaatuinen muistin koodauksessa ja haussa. Erityisesti mediaalisen väliseinän (MS) on ehdotettu toimivan alavirran rakenteiden pääsääntönä ja tarjoavan suurimmat aivokuoren sisääntulot hippokampukseen1. MS on neurokemiallisesti heterogeeninen rakenne, joka koostuu GABAergisistä2, pääasiassa parvalbumiini(PV)-positiivisista neuroneista3, sekä kolinergisista4 ja pienemmästä glutamatergisten hermosolujen populaatiosta5,6.

MS PV -solut projisoituvat suoraan GABAergisiin interneuroniin hippokampuksessa, mikä saa aikaan hippokampuksen pyramidisolujen inhiboivan ohjauksen3. Lisäksi hippokampuksen sisällä olevat PV-interneuronit ovat välttämättömiä theta (~8 Hz) rytmien tahdistuksessa7, ja MS PV -hermosolujen optogeneettinen stimulaatio suoraan8,9 tai niiden terminaalien10 hippokampuksessa liittyy hippokampuksen värähtelyjen taajuusspesifiseen tahdistukseen, kun taas MSin vivo -esto on yhdistetty alentuneeseen theta-värähtelytehoon11–13.

Vaikka täydellinen MS-taudin optogeneettinen estyminen on yhdistetty spatiaaliseen muistin heikkenemiseen14, nämä vaikutukset voivat johtua kolinergisten toimintojen häiriöistä15,16, joiden tiedetään olevan kriittisiä muistille. Viime aikoina ei-kolinergisten MS-PV-solujen aktiivisuus on välttämätöntä muistin koodaamiseksi ja hakemiseksi17,18. Erityisesti hippokampus on myös episodisen19,20- ja työmuistin21 ydinrakenne. Koska MS-tauti on välttämätön hippokampuksen theta-rytmien synnyttämisessä ja ylläpitämisessä, MS-taudin toiminnan häiriöt vaikuttavat todennäköisesti hippokampuksen fysiologiaan ja työmuistiin22.
Vaikka hippokampuksesta riippuvaisen muistin tarkkoja fysiologisia mekanismeja ei tällä hetkellä tunneta, on ehdotettu, että tietyn kontekstin tiettyjä paikkoja koodaavat hippokampuksen paikkasolut23 voisivat tukea episodikemuistoa24. Hippokampuksen alikentässä CA1 spatiaalinen viritys riippuu kontekstuaalisista sensorisista tuloista25. Muita muuttujia, kuten aika ja etäisyys, voidaan myös koodata visuaalisesti ohjatun liikkeen aikana26,27 mutta myös ilman aistinvaraisia ​​vihjeitä28, todennäköisesti käyttämällä sisäistä tietoa, mukaan lukien omaliike29 (katso Mehta30 ja McNaughton31).

Ajan ja tilan esitykset voidaan esittää konjunktiivisesti inhippokampuksen neuroneina, ja tällainen multipleksoitu spatiotemporaalinen koodi voisi olla ehdokassubstraatti työmuistille 32–34. Distaalisten visuaalisten vihjeiden kiinnittämisen juoksumatolla35–37 tai virtuaalitodellisuuden paradigmojen26,27,38 lisäksi spatiotemporaalisia koodeja on myös erotettu analyyttisesti käyttämällä yleistettyjä lineaarisia malleja, jotka toteuttavat tilaa, aikaa ja etäisyyttä37. Tällaisia ​​lähestymistapoja ei kuitenkaan ole käytetty laajasti hermosolujen aktiivisuuden tallentamiseen vapaan tutkimuksen aikana.

Useat tutkimukset viittaavat siihen, että hippokampuksen theta-rytmit voivat olla ajallisten koodien taustalla, koska theta-rytmit organisoivat tiukasti hippokampuksen toimintaa. Vaikka aikasoluja on raportoitu myös jyrsijöiden CA1:ssä ja CA3:ssa, jotka suorittavat tehtäviä, jotka eivät vaadi työmuistia41, MS-taudin farmakologinen estäminen johtaa spesifiseen ajan, mutta ei paikkasolujen, häiriintymiseen ja liittyy heikentyneeseen työmuistiin36. Farmakologisten lähestymistapojen tärkeä haittapuoli on se, että ne eivät erota GABAergisten ja kolinergisten solujen suhteellista osuutta muistin toimintaan. Erityisesti MS-kolinergisen aktiivisuuden estämisen havaittiin muuttavan hippokampuksen spatiaalisia esityksiä43 ja heikentävän työmuistin suorituskykyä44,45. Yllättäen MS:n farmakologinen esto liittyi alentuneeseen theta-värähtelytehoon, mutta ei paikkakenttiin46, ja tämä paikkasolujen aktiivisuuden kimmoisuus vähentyneiden thetavien aikana ei johtunut kokemukseen liittyvistä plastisuusmekanismeista47.

Aiemmat yritykset inhiboida MS GABAergisiä interneuroneja erityisesti optogenetiikkaa käyttämällä liittyivät vain osittaiseen theta-signaalien vähenemiseen, mutta ei täydelliseen katkeamiseen13. Theta-värähtelyn optogeneettinen tahdistus on puolestaan ​​liitetty vain pieniin muutoksiin paikkasolujen ominaisuuksissa, mukaan lukien pieni muutos laukaisutaajuudessa9 ja vaiheessa48. Lisäksi, vaikka oletetaan, että MS-syötteet voisivat ohjata suoraan hippokampuksen ajallisia koodeja, syy-selvitys puuttuu edelleen. MS-PV-neuronien tarkka rooli hippokampuksen spatiotemporaalisten koodien ja muistin järjestämisessä on edelleen tuntematon.

Tässä kontrolloimme MS PV -aktiivisuutta optogenetiikkaa vauhdittamaan theta-värähtelyjen poistamista käyttämällä punasiirtymää stimuloivaa opsiinia. Ehdotamme lähestymistapaa hippokampuksen thetarrytmien poistamiseksi kokonaan, joka perustuu MS-neuronien optogeneettisiin taajuuksien sekoitusstimulaatioihin. Vaihtoehtoisesti teetarytmien tahdistus niiden luonnollisella taajuudella samoissa eläimissä tarjoaa koehenkilön sisäiset kontrollit. Yhdistimme optogeneettisen kontrollin CA1-pyramidisolujen kalsiumkuvaukseen hiirillä, jotka juoksivat lineaarisella radalla peräkkäisillä sävyillä.

Näissä olosuhteissa voisimme erottaa paikka-, aika- ja etäisyyssolut käyttämällä informaatioteoreettista lähestymistapaa. Suorittaessaan theta-signaalien optogeneettistä taajuuden sekoitusta sekä paikka- että aikaesitykset säilyivät ja vain pieni osa CA1-pyramidisoluista moduloitiin stimulaatiolla. Seuraavaksi havaitsimme, että thetaoskillaatioiden ablaatio liittyi heikentyneeseen työmuistin hakuun, mikä viittaa siihen, että MS PV -soluilla on kriittinen rooli aivotursoalueen thetavärähtelyjen synnyttämisessä, jotka ovat välttämättömiä muistin hakuun, mutta jotka eivät ole mukana spatiotemporaalisissa esityksissä.

Tulokset

CA1-pyramidisolut koodaavat spatiotemporaalista tietoa

Tutkiaksemme spatiotemporaalisia koodeja suurissa CA1-pääsolupopulaatioissa injektoimme GCaMP6fast-proteiinia ekspressoivan virusvektorin CamKII-promoottorin alle hippokampuksen CA1-alueelle, istutimme aGRIN-linssin injektiokohdan yläpuolelle ja suoritimme kalsiumkuvantallenuksia pyramidaalisen neuronien kalsiumkuvantamisesta käyttämällä avoimen lähdekoodin minikooppia49. ,50 (kuvio 1a, b; katso lisäkuva 1 yksityiskohtaista histologiaa varten). Uutettiin neuronien spatiaaliset jalanjäljet ​​(kuvio 1c) ja niitä vastaavat kalsiumtransientit (kuvio 1d) käyttämällä CNMFe51:tä. Erottaaksemme pääsolujen tilallisia ja ajallisia viritysominaisuuksia, kehitimme tehtävän, joka yhdistää lineaarisen raidan kolmiäänisiin vihjeisiin, jotka laukaisevat liiketunnistimet radan molemmissa päissä. Jokaisen ajon lopussa laukaistiin välittömästi uusi ääni, joka ilmoitti hiirille niiden etenemisestä kohti palkkion antamista.

Joka neljäs juoksu ilmaistiin korkealla, jatkuvalla äänellä, joka liittyi palkinnon toimittamiseen lineaarisen radan lopussa (kuva 1e). Jokaisen hiiren absoluuttista sijaintia sekä kulunutta aikaa ja kuljettua matkaa seurattiin palkkiopaikalta lähdön jälkeen (kuvio 1f). Käyttämällä näitä muuttujia ja binaarisoitua hermosolujen aktiivisuutta, laskemme todennäköisyyssäätökäyrät (kuva 1g) ja johdettiin keskinäistä tietoa (MI) hermosolujen toiminnan ja sijainnin, ajan sekä etäisyyden jokaista tallennettua solua välillä. Toisin kuin korrelaatioon perustuvissa analyyseissa, MI ei oleta lineaarisia, monotonisia suhteita hermosolujen aktiivisuuden ja käyttäytymismuuttujien välillä, vaan pikemminkin ilmaisee toisen muuttujan epävarmuuden määrää, joka voidaan selittää toisella.

MI-arvojen merkitys testattiin käyttämällä sekoitettuja korvikkeita, jotka läpikäytiin pyöreät permutaatiot (n {{0}}) kalsiumtransienttien ajallisen dynamiikan säilyttämiseksi. Neuronit, jotka koodasivat yksinomaan yhtä muuttujaa, jonka MI oli suurempi kuin sekoitettu korvike 95 % ajasta (p pienempi tai yhtä suuri kuin 0,05), leimattiin joko paikkamoduloiduiksi (tilamoduloiduiksi), aikamoduloiduiksi (ajallisesti) tai etäisyysmoduloiduiksi (katso menetelmät). Seuraavia analyysejä varten keskityimme ehdokassoluihin, jotka koodasivat vain merkittävää muuttujaa (kuva 1h). Tärkeää on, että aikamoduloidut solut eivät olleet systemaattisesti aktiivisia tietyissä paikoissa, ja paikkamoduloidut solut eivät olleet systemaattisesti aktiivisia tiettynä aikana (kuvio 1i, j).

Vaikka suurin osa yhtä muuttujaa koodaavista soluista oli paikkamoduloituja, suuri osa hermosoluista oli sidehermosoluja, jotka koodasivat useampaa kuin yhtä muuttujaa (17,98 ± 1,77 %). Sitä vastoin solujen koodauspaikka edusti yksinomaan 9.{11}}2 ± 1,61 % koko tallennetusta populaatiosta, kun taas 1,79 ± 0,68 % selektiivisesti koodattua etäisyyttä ja 1,27 ± 0,09 % selektiivisesti koodattua aikaa (kuva 1k; lisää Esimerkkejä aikaan, tilaan tai etäisyyteen viritetyistä neuroneista sekä niiden tietosisältö on esitetty lisäkuvassa 2).

Vaikka informaatioteoreettinen lähestymistapamme voi erottaa päällekkäiset muuttujat eristämällä soluja, jotka koodaavat merkittävästi vain yhtä muuttujaa, testasimme edelleen kunkin solutyypin merkitystä spatiotemporaalisten muuttujien koodauksessa käyttämällä naiivia Bayes-luokittajaa sijainnin dekoodaamiseen (kuvat 1l–n), kulunut aika. (Kuva 1o–q) ja kuljettu matka (Kuva 1r–t) lineaarisella radalla52.

Arvioimme kunkin hiiren nykyisen tilan laskemalla maksimi a posteriori (MAP) -arvon, joka on annettu hermosolujen aktiivisuudelle, ja käynnistysvirityskäyrät, jotka on laskettu käyttämällä todellista tai ympyrämäisesti sekoitettua binaarista aktiivisuutta (kuvio 1l, o, r; katso yksityiskohtaiset protokollat ​​kohdasta Methods). Ennusteiden laatua arvioitiin sekavuusmatriiseilla (kuva 1m, p, s) ja laskemalla ennustetun tilan ja todellisen tilan välinen euklidinen etäisyys (kuvio 1n, q, t). Tärkeää on, että Bayesin dekooderimme tuotti keskimääräisen virheen 16,58 cm, mikä oli huomattavasti pienempi kuin purettaessa sekoitettuja korvikkeita (5{{10}},95 cm; parillinen t-testi, t4=19.75). ,p Pienempi tai yhtä suuri kuin 0.0001), ja dekoodaus spatiaalisesti moduloituja soluja käyttäen oli huomattavasti tarkempaa kuin käytettäessä ei-tilamoduloituja soluja (parillinen t-testi, t4=34.54, p vähemmän kuin tai yhtä suuri kuin 0,0001; kuva 1n). Vastaavasti kuluneen ajan keskimääräinen dekoodausvirhe oli 6,45 s, mikä oli merkittävästi pienempi kuin sekoitettujen korvikkeiden avulla laskettu virhe (19,12 s; parillinen t-testi,t4=18.01, p pienempi tai yhtä suuri kuin 0,0001).

Dekoodaus käyttämällä aikamoduloituja soluja tuotti huomattavasti paremman tarkkuuden verrattuna aikamoduloimattomiin soluihin (parillinen t-testi, t4=3.163, p=0.0341; Kuva 1q) . Lopuksi dekooderimme keskimääräinen etäisyysvirhe oli 61,40 cm, mikä oli merkittävästi pienempi kuin sekoitettujen korvikkeiden virhe (189,6 cm; t-testi, t4=28.79, p pienempi tai yhtä suuri kuin 0,0001). Dekoodaus käyttäen etäisyysmoduloituja soluja tuotti merkittävästi pienempiä virheitä verrattuna ei-etäisyysmoduloituihin soluihin (t-testi, t4=4.595,p=0.0101; kuva 1t).

Selektiivinen MS optogeneettinen theta-värähtelyjen hallinta

Tutkiaksemme MS:n tuottamien theta-signaalien suhteellista osuutta ppokampuksen spatiotemporaalisiin koodeihin transfektoimme punasiirtymän deksitatorisen opsiinin ChrimsonR:n MS:ssä (kuva 2a). Toisin kuin inhibiittoriopsiinit, ChrimsonR antoi meille mahdollisuuden joko sekoittaa tai tahdistaa theta-signaaleja koehenkilöiden sisällä. Lisäksi ChrimsonR on tehokkaampi kuin yleisesti käytetty Channelrhodopsin-2 ja tarjoaa mahdollisuuden yhdistää optogenetiikkaa kalsiumkuvaukseen53. 14,91 ± 3,57 % PV-soluista ilmensi ChrimsonR:ää, jonka havaitsimme riittävän hallitsemaan hippokampuksen värähtelyjä (n=4 hiirtä; kuviot 2b, c). Sitä vastoin emme havainneet käytännössä yhtään ChrimsonR:n ilmentymistä ChAT-soluissa (1,05 ± 1,052 % ChAT-soluista ilmensi myös ChrimsonR:ää; kuvio 2d, e).

Sitten istutimme hiirille kuituoptiikan MS: n päälle. Suoritimme 638 nm:n laserstimulaation tallentaessamme paikallisia kenttäpotentiaalia (LFP) CA1:ssä (kuva 2f). Havaitsimme, että MS:n sekoitettu ja 8 Hz:n optogeneettinen stimulaatio voi häiritä tai tahdistaa thetavärähtelyjä, vastaavasti (kuva 2g). Vaikka perustason luonnollinen theta näyttää jonkin verran taajuuksien vaihtelua 4–12 Hz:n taajuusalueella, 8 Hz:n stimulaatiot johtivat johdonmukaisiin ja vakaisiin aivotursovärähtelyihin tällä taajuudella. Sitä vastoin salatut stimulaatiot poistivat jatkuvasti theta-rytmit (kuvio 2h).

Havaitsimme, että värähtelyvoimakkuus (OS) thetheta-kaistalla (katso menetelmät) vähensi merkittävästi sekoitettuja stimulaatioita ({{0}},45 ± 0.01) verrattuna perusajanjaksoihin. (0.67 ± {{10}.01,p Pienempi tai yhtä suuri kuin 0.00{ {29}}1) eivätkä eronneet merkittävästi valkoisen kohinan ohjaussignaalin käyttöjärjestelmästä (0,50 ± 0,01, p=0,99). Toisaalta 8 Hzstimulaatiot lisäsivät theta-tehoa merkittävästi (0,82 ± 0,01,p pienempi tai yhtä suuri kuin 0,0001; n=59 epookkia; kuva 2i) verrattuna sekoitettuihin stimulaatioihin. Löysimme myös merkittävän vuorovaikutuksen stimulaatiomalliemme ja LFP-taajuuskaistan välillä (F10=6.467, p pienempi tai yhtä suuri kuin 0,0001). Erityisesti sekoitettu taajuusstimulaatio vähensi merkittävästi theta-tehoa (0,341 ± 0,06 osa lähtötason theta-kaistan tehosta; p=0,0394, parillinen t-testi), kun taas 8 Hz:n stimulaatiot lisäsivät merkittävästi theta-tehoa (3,302 ± 0,76 osa lähtötason theta-kaistan tehosta , p=0.0004, parillinen t-testi; kuva 2j) jättäen muut taajuuskaistat ennalleen.

Vaikka kalsiumkuvauksemme ja sähköfysiologiset analyysimme sisälsivät vain liikkumisjaksoja (katso menetelmät), havaitsimme myös, että pystyimme luotettavasti poistamaan (lisäkuvat 3a, b) tai vauhdittamaan (lisäkuvat 3a, c) thetavärähtelyt liikkumistilasta riippumatta ( mukaan lukien lepojaksot). Vaikka luonnollinen theta OS korreloi liikenopeuteen (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 riippumattomia aikakausia; täydentävä kuva 3d), thetan poistaminen johti sen menettämiseen korrelaatio (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 riippumattomat aikakaudet; täydentävä kuva 3e), samoin kuin 8 Hz:n stimulaatiot (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 riippumattomia aikakausia; täydentävä kuva 3f), mikä viittaa siihen, että lokomotoriset tilat eivät ohittaneet optogeneettisten stimulaatioiden vaikutuksia theta-värähtelyihin.

Hippokampuksen terävän aallon väreilyillä (SWR) on olennainen rooli muistin lujittamisessa54–56, ja MS-kolinergisten hermosolujen stimulaatio on yhdistetty vähentyneeseen aaltoiluaktiivisuuteen57 ja heikentyneeseen työmuistiin45. Vaikka emme havainneet käytännössä yhtään ChrimsonR:n ilmentymistä MS-kolinergisissa neuroneissa, oli välttämätöntä mitata MS-taudin optogeneettisen stimulaation vaikutus aaltoilufysiologiaan. Tätä tarkoitusta varten tallensimme CA1-LFP:n ja suoritimme 5 s ON ja 5 s OFF scrambledoptogeneettisen stimulaation vapaasti käyttäytyville hiirille, jotka tutkivat avointa kenttää (täydentävä kuva 4a). Mittasimme aaltoilutapahtumien attribuutteja ennen sekoitettua stimulaatiota ja sen aikana, emmekä löytäneet muutoksia inpowerissa (pariton, kaksisuuntainen t-testi, t6=0.076, p=0.941; täydentävä kuva 4b, vasemmalla) paneeli), esiintymistiheys (pariton, kaksisuuntainen testi, t6=−1,688, p=0.142; Täydentävä kuva 4c, vasen paneeli) tai leveys (pariton, kaksisuuntainen t-testi, t6=0.124, p=0.905; täydentävä kuva 4d, vasen paneeli).

Vastaavasti 8 Hz:n optogeneettisellä stimulaatiolla ei ollut havaittavia vaikutuksia aaltoilutehoon (pariton, kaksisuuntainen t-testi, t6=0.378, p=0.718; täydentävä kuva 4b, oikea paneeli), taajuus (pariton, kaksisuuntainen t-testi, t{{10}} −1.643, p=0.151; Täydentävä kuva 4c, oikea paneeli) ja leveys (pariton, kaksisuuntainen t-testi, t6=−0,138,p=0,894; täydentävä kuva 4d, oikea paneeli). Yhdessä histologisten tulostemme ja aiemman raportin kanssa, jonka mukaan MS-kolinergisten neuronien optogeneettinen stimulaatio vähentää SWR57: n esiintymistä, havaitsemme, että nämä optogeneettiset stimulaatiot eivät vaikuta kolinergisiin tuloihin hippokampukseen.

For more information:1950477648nn@gmail.com