Penyatuan Perwakilan Memori Selular dalam Neokorteks Cetek

RINGKASAN

Penggabungan memori peringkat sistem, konsep utama dalam penyelidikan ingatan, melibatkan penukaran ingatan yang bergantung pada hippocampus untuk pembentukannya kepada bentuk bebas hippocampus yang cekap, mungkin dikodkan oleh sambungan kortikokortikal. Namun, sedikit yang difahami tentang sifat kod saraf yang disatukan pada peringkat ensembel selular.

Ingatan peringkat sistem merujuk kepada keutamaan atau corak tingkah laku yang dibangunkan seseorang pada awal kehidupan dan mendalami dari semasa ke semasa. Memori peringkat sistem mempengaruhi pemikiran, tindakan dan keputusan seseorang. Ia adalah tingkah laku bawah sedar.

Sebaliknya, ingatan merujuk kepada keupayaan seseorang untuk mengingat dan mengekalkan maklumat. Ingatan yang baik membantu kita mempelajari kemahiran, menyelesaikan masalah dan mencapai kejayaan. Walau bagaimanapun, untuk mempunyai memori yang sangat baik, kita memerlukan sokongan memori peringkat sistem.

Memori peringkat sistem meningkatkan ingatan kita kerana ia memberikan kita rangka kerja untuk memperoleh pengetahuan baharu. Setiap kali kita belajar perkara baru, kita biasanya menghubungkannya dengan apa yang telah kita pelajari sebelum ini. Sambungan ini membentuk struktur pengetahuan yang kukuh yang membantu kita memahami dan mengingati maklumat baharu dengan lebih baik.

Selain itu, ingatan peringkat sistem boleh mempengaruhi cara kita berfikir. Jika kita membina sikap positif, menyelesaikan masalah, kita akan berfikir dengan lebih jelas dan cepat, menjadikannya lebih mudah untuk mengekalkan maklumat dan menyelesaikan masalah. Sebaliknya, jika kita membina sikap negatif, pasif, pemikiran kita akan menjadi perlahan dan kabur, menghalang ingatan dan kebolehan pembelajaran kita.

Oleh itu, kita harus berusaha untuk memupuk memori peringkat sistem yang baik, yang akan membantu meningkatkan ingatan dan kadar kejayaan kita. Kita boleh membangunkan tabiat yang baik dengan bergerak ke arah yang positif dan menjadikannya sebati dalam kehidupan seharian kita, seterusnya membentuk sikap penyelesaian masalah yang positif dan proaktif. Dengan cara ini, kami boleh menggunakan memori peringkat sistem dengan lebih baik untuk meningkatkan daya ingatan dan kebolehan pembelajaran kami. Ia dapat dilihat bahawa kita perlu meningkatkan daya ingatan, dan Cistanche deserticola boleh meningkatkan daya ingatan dengan ketara kerana Cistanche deserticola adalah bahan perubatan tradisional Cina yang mempunyai banyak kesan unik, salah satunya adalah untuk meningkatkan daya ingatan. Keberkesanan daging cincang berasal dari pelbagai bahan aktif yang terkandung di dalamnya, termasuk asid, polisakarida, flavonoid, dll. Bahan-bahan ini boleh menggalakkan kesihatan otak dalam pelbagai cara.

Klik tahu 10 cara untuk meningkatkan ingatan

Tikus memerlukan hippocampus yang utuh untuk pembelajaran spatial ''maya' dan untuk membangunkan perwakilan neokortikal dari pengalaman yang sepadan. Kami mendapati bahawa, manakala persekitaran maya baru tidak dipelajari atau diwakili dalam korteks cetek berikutan kerosakan teruk pada hippocampus, ingatan yang dipelajari sebelum pembedahan dan perwakilan ensembel saraf yang jarang dan meluas dalam lapisan kortikal II-III dipelihara, satu sine qua non daripada penyatuan ingatan. Penemuan ini menyediakan tetingkap baharu untuk kajian masa depan tentang mekanisme selular penyatuan memori.

PENGENALAN

Kerosakan pada pembentukan hippocampus sangat menjejaskan pemerolehan memori baru, 'episodik''.1,2 Fenomena ini mungkin berkaitan dengan kedudukan hippocampus di bahagian atas hierarki kawasan persatuan neokortikal, dan kepada fakta bahawa bilangan neuron kortikal jauh melebihi bilangan sambungan yang boleh disokong oleh neuron tertentu (Schwindel & McNaughton, 2011, untuk semakan).3Keterbatasan sambungan ini bermakna pembentukan persatuan arbitrari dalam masa nyata (terutamanya jarak jauh) akan menjadi sukar kerana sinaps yang diperlukan antara mana-mana dua sel neokortikal aktif sewenang-wenangnya berkemungkinan besar tidak wujud sebelum ini.

Neokorteks mungkin mengatasi masalah ini melalui pembentukan pesat persatuan tidak langsung di kalangan neuronnya yang sedang aktif, dimediasi oleh corak biasa, atas ke bawah dari hippocampus. Menurut pandangan ini, setiap pengalaman unik menjana corak unik dan jarang yang sepadan dalam hippocampus, yang berfungsi sebagai konteks atau ''indeks''4–6 kepada set neuron kortikal yang aktif pada masa ini. Corak ini adalah unik untuk lokasi dan sifat setiap pengalaman (cth. Leutgeb et al.7). Keplastikan bersekutu dalam unjuran maklum balas daripada hippocampus ('indeks'') kepada sel kortikal aktif yang sepadan ('atribut'). ') akan membolehkan pengambilan semula atribut memori yang seterusnya.

Oleh itu, sekurang-kurangnya pada mulanya, memori menjadi dikodkan sebagai sambungan antara hippocampus dan korteks, bukannya antara sel-sel kortikal secara langsung. Sesetengah ingatan dan tingkah laku yang dipelajari tidak pernah kehilangan pergantungan pada hippocampus yang utuh; walau bagaimanapun, ada yang menjadi tahan lama-kelamaan kepada kerosakan hippocampal,8 menunjukkan bahawa sambungan kortiko-kortikal yang sesuai, mencukupi untuk menggantikan yang hippocampo-kortikal, berkembang dari semasa ke semasa dan menjadi dominan.

Proses ini juga mungkin mengiringi pengekstrakan struktur daripada ingatan ke dalam pengetahuan ''semantik'' korteks,9–15 yang secara amnya bertahan dengan hippocampalloss. Walaupun terdapat banyak kajian tentang dinamik tingkah laku dan ekspresi gen proses penyatuan memori ini, terdapat sedikit penyiasatan di peringkat pengekodan selular ke dalam sifat dan lokasi perwakilan memori bebas hippocampus tersebut dalam korteks.

Kajian baru-baru ini telah menunjukkan bahawa, semasa traversal urutan lokasi (sama ada nyata atau maya), corticalneuron, terutamanya dalam korteks cetek, membangunkan jarang, urutan berkorelasi kedudukan aktiviti saraf,16-19 sama seperti dalam hippocampus.

Dalam tikus yang utuh, sel berkorelasi kedudukan muncul dalam korteks dalam beberapa sesi dalam 'persekitaran'' maya baru, yang terdiri daripada tali pinggang treadmill dengan isyarat ''spatial'' yang dipasang,20 tetapi berkembang dengan buruk pada tikus dengan lesi hippocampal dorsal. 16,17 Di sini, kami menunjukkan bahawa perwakilan superficialcortical persekitaran maya yang dipelajari sebelum pembedahan dikekalkan berikutan lesi hippocampal, seperti memori spatial yang sepadan, manakala tikus yang sama tidak mempelajari persekitaran novel pasca operasi dan tidak mewakilinya sebagai sel berkorelasi kedudukan. dalam korteks dangkal.

KEPUTUSAN

Pengimejan Ca{1}} dua foton digunakan untuk merekodkan aktiviti saraf pada tikus semasa larian tetap kepala pada tali pinggang treadmill yang mengandungi beberapa isyarat visuo-tactile (Rajah 1; Kaedah STAR), sebelum dan selepas lesi dua hala hippocampus dorsal. Haiwan telah diuji pada tali pinggang "familiar" yang sama sebelum dan selepas hippocampallesions (atau pembedahan palsu). Tali pinggang ''Novel'' dengan set kiu yang berbeza digunakan untuk tempoh sebelum dan selepas pembedahan (lesi/palsu) selepas (semula) berkenalan dengan tali pinggang ''biasa''. Kami menjejaki aktiviti neuron dalam tiga kawasan neokortikal: korteks retrosplenial (RSC), korteks motor sekunder, dan korteks somatosensori primer.

Lesi hippocampal menyebabkan amnesia anterograde tetapi bukan retrograde untuk lokasi ganjaran persekitaran spatial invirtual

Setiap tali pinggang mempunyai lokasi maya tertentu di mana ganjaran air dihantar (Rajah 1C). Sebelum operasi, kedua-dua kumpulan menyatakan tingkah laku yang sama dalam kedua-dua persekitaran biasa dan novel Rajah S2. Kelajuan larian selepas operasi dalam tali pinggang biasa dan baru juga serupa antara kumpulan palsu dan lesi. Selepas operasi, kumpulan palsu dan lesi membuat bilangan percubaan yang setanding untuk menjilat port ganjaran sepanjang percubaan (Rajah 2- dibiarkan); bagaimanapun, taburan jilat dalam persekitaran novel adalah berbeza dengan ketara antara kumpulan.

Bagi kumpulan palsu, sebahagian besar jilat tertumpu di tapak ganjaran dalam kedua-dua persekitaran biasa dan baru. Tingkah laku yang sama telah dipamerkan oleh kumpulan lesi dalam persekitaran yang biasa; walau bagaimanapun, dalam persekitaran novel, yang berlesi mencit kebanyakannya di luar zon ganjaran. (Rajah 2-tengah, kanan). Oleh itu, ingatan pra-operasi dikekalkan, tetapi pembelajaran dalam persekitaran novel telah terjejas teruk. Ini adalah ciri yang menentukan konsep penyatuan ingatan.

Neuron kortikal mengekalkan pengekodan persekitaran spatial yang biasa selepas hippocampallesi, tetapi pengekodan persekitaran baru gagal terbentuk

Kami menggunakan kriteria yang agak liberal (lihat Kaedah STAR) untuk mengkategorikan sel sebagai ''spatially selective'' dan untuk mentakrifkan sel''place fields''. Secara keseluruhannya, tiada perbezaan antara kumpulan (lesi vs sham) atau antara persekitaran (F, N) dalam mana-mana tiga kawasan kortikal dalam perkadaran sel yang melepasi ambang selektiviti, iaitu secara keseluruhan kira-kira 40% dengan kriteria liberal ini (Rajah S3A). Walau bagaimanapun, untuk persekitaran baru, sel yang memenuhi kriteria selektiviti secara keseluruhannya adalah kurang selektif dari segi ruang dan secara kolektif membentuk pengekodan populasi yang kurang seragam bagi tali pinggang dalam kumpulan lesi (Rajah 3A dan 3B). Perbezaan ini dikaitkan dengan peningkatan dalam perkadaran sel kumpulan lesi dengan pelbagai medan tempat, bukannya satu (Rajah S3B).

Kemunculan pengekodan kedudukan kortikal lapisan II-III dikira menggunakan ukuran kandungan maklumat spatial pada setiap neuron21 untuk semua sel yang melepasi ambang selektiviti spatial. Beberapa pelupaan dijangka dalam 30-rehat hari antara sesi pra-lesi/palsu terakhir dan sesi pertama selepas pembedahan. Sesungguhnya, terdapat kemerosotan bergantung pada masa (pelupaan) kandungan maklumat spatial dalam persekitaran biasa ; walau bagaimanapun, ingatan biasa pulih sepanjang sesi dalam kedua-dua tikus lesi dan palsu, tanpa perbezaan antara kumpulan (Rajah 3C-atas). Tikus palsu menunjukkan pemerolehan normal perwakilan kortikal persekitaran novel (Belt 3); walau bagaimanapun, kumpulan lesi menunjukkan maklumat spatial yang sangat sedikit dalam persekitaran novel dalam RSC (Rajah 3C-bawah). Di semua kawasan kortikal, kandungan maklumat spatial neuron adalah serupa antara palsu dan lesi untuk persekitaran biasa, manakala kuantiti ini berkurangan dengan ketara dalam kumpulan lesi untuk persekitaran novel (Rajah 3D dan 3E).

Kami mengukur kebolehpercayaan pengekodan spatial pada peringkat populasi dengan mengira ralat penyahkodan pusingan demi pusingan, menggunakan penyahkod Bayesian (Kaedah STAR). Semasa fasa pasca operasi, taburan kedudukan yang dinyahkod sebagai fungsi lokasi haiwan menunjukkan bahawa penyahkod daripada kumpulan lesi dalam persekitaran novel memberikan anggaran kedudukan yang kurang tepat (Rajah 4A). Terdapat peningkatan yang ketara (2 x) dalam ralat penyahkodan dalam persekitaran novel dalam ketiga-tiga kawasan kortikal, dalam kumpulan lesi, tetapi tidak dalam kumpulan palsu, dan tiada dalam persekitaran biasa dalam mana-mana kumpulan (Rajah 4B).

PERBINCANGAN

Secara keseluruhannya, manakala lesi hippocampal sangat menjejaskan kemunculan sel berkorelasi kedudukan yang mewakili persekitaran maya novel, dan pembelajaran spatial yang sama terjejas dalam konteks novel itu, gambaran persekitaran biasa yang terdedah sebelum operasi dan ingatan untuk lokasi ganjaran dalam persekitaran itu terhindar. . Aktiviti penembakan selektif spatial tikus lesi dalam persekitaran novel adalah berat sebelah terhadap tembakan di sekitar isyarat yang menonjol. Tindak balas tidak selektif atau selektif lemah pada isyarat yang menonjol adalah perkara biasa dalam tikus yang lesi dalam persekitaran novel, yang menimbulkan medan berbilang ''tempat', yang mungkin telah menyumbang kepada ralat penyahkodan spatial yang lebih tinggi.

Lesi itu sendiri merosakkan 50% atau lebih daripada hippocampus dorsal, tetapi meninggalkan hippocampus ventral sebahagian besarnya utuh (Rajah 1E). Oleh itu, kita tidak boleh membuat kesimpulan bahawa ingatan yang dipelihara adalah bebas sepenuhnya daripada aliran keluar hippocampal22 walaupun banyak kajian menunjukkan bahawa hippocampus dorsal yang kebanyakannya diperlukan untuk pembelajaran spatial23,24 dan outputnya tertumpu pada korteks retrosplenial.25–28 Kedua-dua kumpulan menunjukkan penurunan. dalam penalaan spatial untuk persekitaran biasa semasa 30-selang hari antara percubaan pra-lesi/sham yang terakhir dan percubaan pasca-lesi/sham yang pertama. Sama ada ini disebabkan oleh peredaran masa atau prosedur pembedahan (cth, anestesia) tidak diketahui; walau bagaimanapun, dinamik ini menunjukkan bahawa beberapa kesan pengekodan sebelumnya telah dikekalkan, manakala pengekodan baharu telah terjejas. Satu penjelasan yang mungkin untuk penurunan dalam penalaan spatial selama 30 hari ialah hippocampus yang utuh membolehkan pembentukan sambungan sinaptik baru dalam korteks yang mungkin kehilangan keberkesanan dari semasa ke semasa tetapi secara fizikal berterusan supaya ia boleh diperkuatkan semula apabila terdedah semula kepada persekitaran yang biasa.

Penjelasan lain ialah pengekodan dipelihara dalam lapisan korteks yang lebih dalam, yang tidak boleh diakses oleh pengimejan dalam kajian ini. Adalah diketahui umum bahawa pendedahan semula kepada persekitaran biasa bukanlah proses penyatuan ingatan yang penting untuk berlaku; ia juga boleh berlaku semasa tempoh ''luar talian'' seperti tidur gelombang perlahan.4 Walau bagaimanapun, pengambilan semula proses yang disatukan mungkin memerlukan pendedahan semula jika tiada hippocampus.

Secara keseluruhannya, keputusan sekarang menunjukkan bahawa hippocampus yang utuh membolehkan korteks cetek untuk membangunkan perwakilan yang jarang, selektif pengalaman berada di lokasi tertentu di bawah konteks tingkah laku dan deria tertentu dan bahawa kod neural yang muncul ini berterusan selepas kerosakan hippocampal mencukupi untuk menghalang pembelajaran baru di tahap saraf dan tingkah laku dalam keadaan yang sama. Penemuan ini menyediakan rangka kerja baharu untuk mengkaji asas selular dan molekul memori jangka panjang yang bebas hippocampus.

Batasan kajian

Memandangkan saiz sampel yang terhad, hanya satu kawasan kortikal daripada tiga kawasan yang diminati boleh dinilai dengan kuasa statistik yang munasabah semasa fasa pendedahan/pendedahan semula eksperimen, sepanjang hari rakaman berturut-turut. Kami memilih korteks retrosplenial dengan mengambil kira hakikat bahawa ia menerima unjuran terus daripada hippocampus dorsal.25–28 Kami memerhati bahawa berikutan lesi hippocampal, perwakilan neuron bagi persekitaran biasa dalam korteks retrosplenial diperoleh semula secara beransur-ansur dengan pendedahan berulang. Walau bagaimanapun, ini tidak menolak fakta bahawa kawasan kortikal lain mungkin pulih pada kadar yang lebih cepat. Tambahan pula, pertukaran antara kawasan teragih mungkin menyumbang kepada pemulihan ini, yang tidak boleh ditentukan melainkan dua atau lebih kawasan dinilai secara serentak. Bagaimana jejak memori spatial dipelihara dan "diperkuatkan semula" merentasi kawasan kortikal yang berbeza, berikutan kehilangan hippocampal, oleh itu masih perlu ditentukan.

PENGHARGAAN

Kami berterima kasih kepada Dr. M. Mohajerani untuk penyeliaan/pentadbiran kemudahan mikroskop dan pembiakan haiwan, Jennifer Tarnowsky untuk sokongan logistik, Valerie Lapointe dan Karim Ali untuk sokongan teknikal, dan WestGrid dan Compute Canada untuk sokongan IT. BLM mengiktiraf pembiayaan daripada Program Geran Projek Penyelidikan NIH (R01) [no. NS121764], Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan (DARPA) [no. HR0011-18-2-0021], Majlis Penyelidikan Sains Semula Jadi dan Kejuruteraan Kanada (NSERC) [no. 1631465], dan Institut Penyelidikan Kesihatan Kanada (CIHR) [no. PJT 156040]. HC disokong oleh Biasiswa Siswazah Kanada untuk Program Kedoktoran (NSERC CGS-D).

SUMBANGAN PENULIS

IME dan BLM berkonsepkan eksperimen. IME dan ARN menjalankan eksperimen dan mengumpul data. IME, HC, dan BLM menganalisis dan mentafsir data. IME, HC, dan BLM menulis manuskrip, yang semua pengarang bantu untuk disemak.

PENGISYTIHARAN KEPENTINGAN

Penulis mengisytiharkan bahawa mereka tidak mempunyai kepentingan bersaing.

RUJUKAN

1. Scoville, WB, dan Milner, B. (1957). Kehilangan ingatan baru-baru ini selepas lesi hippocampal dua hala. J. Neurol. Neurosurg.Psikiatri 20, 11–21.https://doi.org/10.1136/jnnp.20.1.11.

2. Yonelinas, AP, Kroll, NEA, Quamme, JR, Lazzara, MM, Sauve´, MJ, Widaman, KF, dan Knight, RT (2002). Kesan kerosakan lobus temporal yang meluas atau mildhypoxia pada ingatan dan kebiasaan. Nat.Neurosci. 5, 1236–1241.https://doi.org/10.1038/nn961.

3. Schwindel, CD, dan McNaughton, BL(2011). Interaksi hippocampal-kortikal dan dinamik pengesanan semula memori. Prog. Otak Re. 193, 163–177.https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53839-0.00011-9.

4. McNaughton, BL (2010). Hierarki kortikal, tidur, dan pengekstrakan pengetahuan daripada ingatan. Artif. Intell. 174,205–214.https://doi.org/10.1016/j.artint.2009.11.013.

5. Teyler, TJ, dan DiScenna, P. (1986). Teori pengindeksan memori Thehippocampal.Kelakuan. Neurosci. 100, 147–154. https://doi.org/10.1037/0735-7044.100.2.147.6. Teyler, TJ, dan Rudy, JW (2007). Teori pengindeksan hippocampal dan ingatan episod: mengemas kini indeks. Hippocampus17, 1158–1169.https://doi.org/10.1002/hipo.20350.

7. Leutgeb, S., Leutgeb, JK, Barnes, CA, Moser, EI, McNaughton, BL dan Moser, M.-B. (2005). Kod bebas untuk memori episodik spatial dalam kumpulan hippocampalneuronal. Sains 309, 619–623.https://doi.org/10.1126/science.1114037.

8. Sutherland, RJ, and Lehmann, H. (2011). Konsepsi alternatif penyatuan memori dan peranan hippocampus pada peringkat sistem dalam tikus. Curr. Pendapat. Neurobiol. 21, 446–451.https://doi.org/10.1016/j.conb.2011.04.007.

9. Frankland, PW, dan Bontempi, B. (2005). Penyusunan kenangan terkini dan terpencil.Nat. Rev. Neurosci. 6, 119–130. https://doi.org/10.1038/nrn1607.10. Marr, D. (1970). Satu teori untuk cerebralneocortex. Proc. R. Soc. London. B Biol. Sci. 176,161–234.

For more information:1950477648nn@gmail.com