Frekuensi Optogenetik Perebutan Ayunan Theta Hippocampal Memecahkan Pengambilan Memori Bekerja Daripada Kod Ruang Hippocampal Bahagian 1

Penyelarasan aktiviti temporal yang tepat di dalam otak dianggap penting untuk fungsi ingatan. Neuron perencatan dalam septumprovide medial merupakan sumber pemuliharaan yang ketara kepada hippocampus dan memainkan peranan besar dalam mengawal ayunan hippocampal theta (~8 Hz). Walaupun perencatan farmakologi neuron septum medial diketahui mengganggu ingatan, peranan sebenar neuron perencatan septum dalam mengawal perwakilan dan ingatan hippocampal tidak difahami sepenuhnya.

Hubungan antara aktiviti otak dan ingatan berkait rapat. Ingatan kita berkait rapat dengan kerja otak kita, salah satu organ utama dalam badan kita yang mengawal cara kita berfikir, merasa dan bertindak. Oleh itu, jika kita ingin mempunyai ingatan yang lebih baik, kita perlu menggunakan otak kita dengan lebih cekap.

Pertama, kita perlu memahami bagaimana otak kita berfungsi. Terdapat bahagian otak yang dipanggil hippocampus, iaitu pusat ingatan kita. Ia bertanggungjawab untuk menukar maklumat yang diproses kepada ingatan jangka panjang dan menyimpannya dalam otak kita. Faktor-faktor yang mempengaruhi fungsi hippocampus adalah terutamanya peredaran darah otak dan kuantiti dan kualiti sel saraf.

Kedua, kita harus memberi perhatian untuk memastikan otak aktif. Dengan terus mempelajari perkara baharu, otak terlibat dalam pemprosesan maklumat dan ingatan ingatan dengan lebih kerap, yang menggalakkan kesihatan hippocampus dan menggalakkan ingatan yang lebih baik. Oleh itu, kita boleh memastikan otak kita aktif dan meningkatkan daya ingatan kita dengan membaca buku, mempelajari bahasa, melatih ingatan, dsb.

Akhir sekali, kita mesti memberi perhatian kepada mengekalkan tabiat hidup yang baik. Contohnya, tidur yang cukup, makan makanan seimbang dan bersenam secara teratur boleh membantu menggalakkan otak dan badan yang sihat, seterusnya meningkatkan daya ingatan kita.

Pendek kata, aktiviti otak dan ingatan berkait rapat. Kita boleh menggalakkan kesihatan dan latihan otak dalam banyak aspek, dengan itu meningkatkan daya ingatan kita dan menghadapi pelbagai cabaran dalam kehidupan dan pekerjaan. Dapat dilihat bahawa kita perlu meningkatkan daya ingatan. Cistanche deserticola boleh meningkatkan daya ingatan kita dengan ketara kerana Cistanche deserticola ialah 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 Memori Jangka Pendek cara menambah baik

Di sini, kami mengasingkan peranan irama theta dalam pengekodan dan ingatan spatiotemporal menggunakan pendekatan soal siasat dan rakaman semua optik. Kami mendapati bahawa rangsangan perebutan frekuensi optogenetik menghapuskan ayunan theta dan memodulasi sebahagian daripada neuron dalam hippocampus. Rangsangan sedemikian mengurangkan pengambilan semula ingatan episodik dan berfungsi sambil meninggalkan kod spatiotemporal hippocampal tidak berubah. Kajian kami mencadangkan bahawa irama theta memainkan peranan penting dalam ingatan tetapi mungkin tidak diperlukan untuk kod spatiotemporal hippocampal.

Penyelarasan temporal yang tepat bagi aktiviti neuron dianggap asas untuk pengekodan dan pengambilan memori. Khususnya, septum medial (MS) telah dicadangkan untuk bertindak sebagai zeitgeber utama kepada struktur hiliran dan menyediakan input subkortikal terbesar kepada hippocampus1. MS ialah struktur heterogen neurokimia yang terdiri daripada GABAergic2, terutamanya parvalbumin (PV) -positiveneuron3, bersama-sama dengan kolinergik4 dan populasi neuron glutamatergik yang lebih kecil5,6.

Sel MS PV menayang terus ke interneuron GABAergic dalam hippocampus yang menimbulkan kawalan penghalang suapan terhadap sel piramid hippocampal3. Selain itu, interneuron PV dalam hippocampus adalah penting dalam rentak theta (~ 8 Hz) 7, dan rangsangan optogenetik neuron MS PV secara langsung8,9 atau terminalnya10 dalam hippocampus dikaitkan dengan ayunan hippocampal yang spesifik frekuensi, manakala perencatan vivo MSin. telah dikaitkan dengan kuasa ayunan theta yang berkurangan11–13.

Walaupun perencatan optogenetik MS lengkap telah dikaitkan dengan kemerosotan memori spatial14, kesan ini berpotensi dikaitkan dengan gangguan fungsi kolinergik15,16, yang diketahui penting untuk ingatan. Baru-baru ini, aktiviti sel MS PV bukan kolinergik diperlukan untuk pengekodan memori dan mendapatkan semula17,18. Terutamanya, hippocampus juga merupakan struktur teras untuk ingatan episodik19,20 dan kerja21. Memandangkan MS penting dalam menjana dan mengekalkan irama theta hippocampal, gangguan aktiviti MS berkemungkinan memberi kesan kepada hippocampalphysiology hiliran dan memori kerja22.
Walaupun mekanisme fisiologi yang tepat bagi memori yang bergantung kepada hippocampus tidak diketahui pada masa ini, telah dicadangkan bahawa sel tempat hippocampal23 yang mengekod lokasi tertentu konteks tertentu boleh menyokong ingatan episod24. Dalam subbidang hippocampal CA1, penalaan spatial bergantung pada input deria kontekstual25. Pembolehubah lain seperti masa dan jarak juga boleh dikodkan semasa pergerakan berpandukan visual26,27 tetapi juga dalam ketiadaan isyarat deria28, mungkin menggunakan maklumat dalaman termasuk gerakan diri29 (lihat Mehta30 dan McNaughton31 untuk semakan).

Perwakilan masa dan ruang boleh diwakili secara conjunctively inhippocampal neurons, dan kod spatiotemporal multiplexed tersebut boleh menjadi substrat calon untuk memori kerja 32–34. Selain mengapit isyarat visual distal menggunakan treadmill35–37 atau menggunakan paradigma realiti maya26,27,38, kod spatiotemporal juga telah diekstrak secara analitik menggunakan model linear umum yang melaksanakan ruang, masa dan jarak37. Walau bagaimanapun, pendekatan sedemikian tidak digunakan secara meluas pada rakaman aktiviti neuron semasa penerokaan bebas.

Beberapa kajian mencadangkan bahawa irama theta hippocampal boleh mendasari kod temporal kerana irama theta mengatur aktiviti hippocampal dengan ketat. Walaupun sel masa juga telah dilaporkan dalam kedua-dua CA1 dan CA3 tikus yang melakukan tugas yang tidak memerlukan ingatan kerja41, perencatan farmakologi MS mengakibatkan gangguan khusus masa tetapi tidak meletakkan sel dan dikaitkan dengan memori bekerja yang berkurangan36. Kelemahan penting pendekatan farmakologi ialah ia tidak membezakan sumbangan relatif GABAergic berbanding sel kolinergik kepada fungsi ingatan. Terutamanya, perencatan aktiviti kolinergik MS didapati mengubah perwakilan hippocampalspatial43 dan mengurangkan prestasi memori kerja44,45. Yang menghairankan, perencatan farmakologi MS dikaitkan dengan kuasa ayunan theta yang berkurangan tetapi bukan medan tempat46, dan daya tahan aktiviti sel tempat ini semasa thetawa berkurangan bukan disebabkan oleh mekanisme keplastikan yang berkaitan dengan pengalaman47.

Percubaan sebelumnya untuk menghalang interneuron MS GABAergic secara khusus menggunakan optogenetik, hanya dikaitkan dengan pengurangan separa, tetapi bukan gangguan sepenuhnya pada isyarat theta13. Sebaliknya, rentak optogenetik ayunan theta hanya dikaitkan dengan perubahan kecil dalam ciri sel tempat, termasuk perubahan sedikit dalam frekuensi tembakan9 dan fasa48. Di samping itu, walaupun dihipotesiskan bahawa input MS secara langsung boleh mengawal kod temporal hippocampal, bukti penyebab masih kurang. Sehingga hari ini, peranan tepat neuron MS-PV dalam mengatur kod dan ingatan spatiotemporal hippocampal masih tidak diketahui.

Di sini, kami mengawal aktiviti MS PV menggunakan optogenetik untuk mempercepatkan ayunan theta yang tidak dimansuhkan menggunakan opsin pengujaan yang beralih merah. Kami mencadangkan pendekatan untuk menghapuskan sepenuhnya thetarhythms hippocampal berdasarkan stimulasi perebutan frekuensi optogenetik neuron MS. Sebagai alternatif, pacing irama theta pada frekuensi semula jadi mereka dalam haiwan yang sama menyediakan kawalan dalam subjek. Kami menggabungkan kawalan optogenetik dengan pengimejan kalsium bagi sel piramid CA1 dalam tikus yang berjalan pada trek linear dengan nada berjujukan.

Dalam kedua, kita boleh memisahkan sel tempat, masa dan jarak menggunakan pendekatan teori maklumat. Apabila melakukan perebutan frekuensi optogenetik isyarat theta, kedua-dua perwakilan tempat dan masa telah dipelihara dan hanya subset kecil sel piramid CA1 telah dimodulasi oleh rangsangan. Kami seterusnya mendapati bahawa ablasi thetaoscillation dikaitkan dengan pengambilan semula memori kerja terjejas yang menunjukkan bahawa sel MS PV memainkan peranan penting dalam menjana ayunan theta hippocampal yang diperlukan untuk butare mendapatkan memori yang tidak terlibat dalam perwakilan spatiotemporal.

Keputusan

Sel piramid CA1 mengekod maklumat spatiotemporal

Untuk mengkaji kod spatiotemporal dalam populasi besar sel utama CA1, kami menyuntik vektor virus yang menyatakan GCaMP6fast di bawah penganjur CamKII di kawasan CA1 hippocampus, memasang kanta aGRIN di atas tapak suntikan, dan melakukan rakaman pengimejan kalsium neuron piramid menggunakan miniskop sumber terbuka49 ,50(Rajah 1a, b; lihat Rajah Tambahan 1 untuk histologi terperinci). Kami mengekstrak jejak spatial neuron (Rajah 1c) dan transien kalsium sepadannya (Rajah 1d) menggunakan CNMFe51. Untuk mengasingkan sifat penalaan ruang dan temporal sel utama, kami membangunkan tugasan menggabungkan trek linear dengan isyarat tiga nada yang dicetuskan oleh penderia gerakan di kedua-dua hujung trek. Nada baharu dicetuskan serta-merta pada penghujung setiap larian, memberitahu tikus tentang perkembangan mereka ke arah penyampaian ganjaran.

Setiap larian keempat dikiu dengan nada tinggi, nada berterusan yang dikaitkan dengan penyampaian ganjaran pada penghujung trek linear (Rajah 1e). Lokasi mutlak setiap tetikus, bersama-sama dengan masa berlalu dan jarak perjalanan sejak berlepas dari tapak ganjaran dipantau (Rajah 1f). Dengan menggunakan pembolehubah ini dan aktiviti neuron terdua, kami mengira lengkung penalaan kebarangkalian (Rajah 1g) dan memperoleh maklumat bersama (MI) antara aktiviti neuron dan lokasi, masa, serta jarak untuk setiap sel yang direkodkan. Berbeza dengan analisis berasaskan korelasi, MI tidak menganggap hubungan linear, monotonik antara aktiviti neuron dan pembolehubah tingkah laku tetapi sebaliknya menyatakan jumlah ketidakpastian satu pembolehubah yang boleh dijelaskan oleh yang lain.

Kepentingan nilai MI telah diuji menggunakan pengganti yang dikocok yang menjalani pilih atur bulat (n {{0}}) untuk mengekalkan dinamik temporal transien kalsium. Neuron yang dikodkan secara eksklusif satu pembolehubah dengan MI yang lebih besar daripada pengganti yang dikocok 95% masa (p Kurang daripada atau sama dengan 0.05) dilabelkan sebagai sama ada termodulasi tempat (spatial), termodulasi masa (sementara), atau termodulasi jarak (lihat Kaedah). Untuk analisis berikut, kami menumpukan pada sel calon yang hanya mengekod satu pembolehubah penting (Rajah 1h). Yang penting, sel termodulasi masa tidak aktif secara sistematik di lokasi tertentu, dan sel termodulasi tempat tidak aktif secara sistematik pada masa tertentu (Rajah 1i, j).

Walaupun majoriti sel yang mengekod pembolehubah tunggal adalah termodulasi tempat, sebahagian besar neuron adalah neuron konjungtif yang mengekodkan lebih daripada satu pembolehubah (17.98 ± 1.77%). Sebaliknya, tempat pengekodan sel secara eksklusif mewakili 9.02 ± 1.61% daripada jumlah populasi yang direkodkan, manakala 1.79 ± 0.68% jarak yang dikodkan secara terpilih dan 1.27 ± 0.09% masa yang dikodkan secara terpilih (Gamb. 1k; tambahan contoh neuron yang ditala kepada masa, ruang atau jarak bersama-sama dengan kandungan maklumatnya ditunjukkan dalam Rajah Tambahan 2).

Walaupun pendekatan teori maklumat kami boleh merungkai pembolehubah bertindih dengan mengasingkan sel yang hanya mengekod satu pembolehubah dengan ketara, kami selanjutnya menguji perkaitan setiap jenis sel dalam pengekodan pembolehubah spatiotemporal menggunakan pengelas Bayesian naif untuk menyahkod lokasi (Rajah 1l–n), masa berlalu (Rajah 1o–q), dan jarak yang dilalui (Rajah 1r–t) pada landasan linear52.

Kami menganggarkan keadaan semasa setiap tetikus dengan mengira nilai maksimum a posteriori (MAP) yang diberikan aktiviti neuron dan lengkung penalaan bootstrapped yang dikira menggunakan aktiviti binarized sebenar atau bulatan dikocok (Rajah 1l, o, r; lihat Kaedah untuk protokol terperinci). Kualiti ramalan dinilai menggunakan matriks kekeliruan (Rajah 1m, p, s) dan dengan mengira jarak Euclidean antara keadaan yang diramalkan dan keadaan sebenar (Rajah 1n, q, t). Yang penting, penyahkod Bayesian kami menghasilkan ralat purata sebanyak 16.58 cm, yang jauh lebih rendah berbanding semasa penyahkodan daripada pengganti yang dikocok (5{{10}}}.95 sm; ujian-t berpasangan, t4=19.75 ,p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001), dan penyahkodan menggunakan sel termodulat spatial adalah jauh lebih tepat berbanding apabila menggunakan sel tidak termodulat secara spatial (ujian-t berpasangan, t4=34.54, p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001; Rajah 1n). Begitu juga, purata ralat penyahkodan untuk masa berlalu ialah 6.45 s, yang jauh lebih rendah daripada ralat yang dikira menggunakan pengganti yang dikocok(19.12 s; ujian-t berpasangan,t4=18.01, p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001).

Penyahkodan menggunakan sel termodulasi masa menghasilkan ketepatan yang jauh lebih baik berbanding sel termodulat bukan masa (ujian-t berpasangan, t4=3.163, p=0.0341;Gamb. 1q) . Akhir sekali, purata ralat jarak menggunakan penyahkod kami ialah 61.40 cm, yang jauh lebih rendah daripada ralat pengganti yang dikocok (189.6 cm; ujian-t, t4=28.79, p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001). Penyahkodan menggunakan sel termodulat jarak menghasilkan ralat yang jauh lebih rendah berbanding sel tidak termodulat jarak (ujian-t, t4=4.595,p=0.0101; Rajah 1t).

Kawalan optogenetik MS terpilih bagi ayunan theta

Untuk mengkaji sumbangan relatif isyarat theta yang dijana MS kepada kod spatiotemporal hippocampal, kami mengalihkan opsin ChrimsonR merah-shiftedexcitatory dalam MS (Rajah 2a). Berbeza dengan inhibitoryopsin, ChrimsonR membenarkan kami sama ada berebut atau mempercepatkan isyarat theta dalam subjek. Selain itu, ChrimsonR lebih berkesan daripada Channelrhodopsin yang lebih meluas-2 dan menyediakan keupayaan untuk menggabungkan optogenetik dengan pengimejan kalsium53. 14.91 ± 3.57% daripada sel PV menyatakan ChrimsonR, yang kami dapati mencukupi untuk melaksanakan kawalan meresap ke atas ayunan hippocampal (n=4 tikus; Rajah 2b, c). Sebaliknya, kami mendapati hampir tiada ekspresi ChrimsonR dalam sel ChAT (1.05 ± 1.052% daripada sel ChAT juga menyatakan ChrimsonR; Rajah 2d, e).

Kami kemudian menanam tikus dengan gentian optik ke atas MS. Kami melakukan rangsangan laser 638 nm semasa merekodkan potensi medan tempatan (LFP) dalam CA1 (Rajah 2f). Kami mendapati bahawa MS bergegas dan rangsangan optogenetik 8 Hz boleh mengganggu atau mempercepatkan ayunan theta, masing-masing (Rajah 2g). Walaupun theta semula jadi garis dasar memaparkan beberapa kebolehubahan frekuensi dalam jalur frekuensi 4–12 Hz, rangsangan 8 Hz membawa kepada ayunan hippocampal yang konsisten dan stabil pada frekuensi itu. Sebaliknya, rangsangan bergegas secara konsisten menghapuskan irama theta (Rajah 2h).

Kami mendapati bahawa kekuatan ayunan (OS) dalam jalur thetheta (lihat Kaedah) telah berkurangan dengan ketara oleh rangsangan scrambled ({{0}}}.45 ± 0.01) berbanding zaman garis dasar (0.67 ± {{10}}.01,p Kurang daripada atau sama dengan 0.00{ {29}}1) dan tidak jauh berbeza daripada OS isyarat kawalan bunyi putih (0.50 ± 0.01, p=0.99). Sebaliknya, rangsangan 8 Hz meningkatkan kuasa theta dengan ketara (0.82 ± 0.01,p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001; n=59 zaman; Rajah 2i) berbanding dengan rangsangan bergegas. Kami juga mendapati interaksi yang ketara antara corak rangsangan kami dan jalur frekuensi LFP (F10=6.467, p Kurang daripada atau sama dengan 0.0001). Rangsangan frekuensi terkucar-kacir secara khusus telah menurunkan kuasa theta dengan ketara (0.341 ± 0.06 bahagian kuasa jalur theta garis dasar; p=0.0394, ujian-t berpasangan), manakala rangsangan 8 Hz meningkatkan kuasa theta dengan ketara (3.302 ± 0.76 bahagian kuasa jalur theta garis dasar , p=0.0004, ujian-t berpasangan; Rajah 2j) meninggalkan jalur frekuensi lain tidak berubah.

Walaupun pengimejan kalsium dan analisis elektrofisiologi kami hanya merangkumi tempoh pergerakan (lihat Kaedah), kami juga mendapati bahawa kami boleh memansuhkan dengan pasti (Tambahan Rajah 3a, b) atau rentak (Tambahan Rajah 3a, c) ayunan theta tanpa mengira keadaan lokomotor( termasuk tempoh rehat). Walaupun OS theta semula jadi dikaitkan dengan kelajuan lokomotor (Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 zaman bebas; Tambahan Rajah 3d), pemansuhan theta membawa kepada kehilangan seperti itu. korelasi (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 independentepochs; Tambahan Rajah 3e), begitu juga dengan rangsangan 8 Hz (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 zaman bebas; TambahanRajah 3f) menunjukkan bahawa keadaan lokomotor tidak mengatasi kesan rangsangan optogenetik pada ayunan theta.

Riak gelombang tajam (SWR) hippocampal memainkan peranan penting dalam penyatuan ingatan54–56 dan rangsangan neuron kolinergik MS telah dikaitkan dengan aktiviti riak yang berkurang57 dan memori kerja yang terjejas45. Walaupun kami mendapati hampir tiada ekspresiChrimsonR dalam neuron kolinergik MS, adalah penting untuk mengukur kesan rangsangan optogenetik MS kami terhadap fisiologi riak. Untuk tujuan ini, kami merekodkan CA1-LFP dan melakukan 5s ON, dan 5s OFF stimulasi scrambledoptogenetic dalam tikus yang berkelakuan bebas meneroka padang terbuka (Tambahan Rajah 4a). Kami mengukur atribut peristiwa riak sebelum dan semasa rangsangan bergegas, dan mendapati tiada perubahan dalam kuasa (ujian-t tidak berpasangan, dua ekor, t6=0.076, p=0.941; Rajah Tambahan 4b, kiri panel), kekerapan kejadian (tidak berpasangan, ujian dua hujung,t6=−1.688, p=0.142; Rajah Tambahan 4c, panel kiri) atau lebar (tidak berpasangan, dua ekor ujian-t, t6=0.124, p=0.905; TambahanRajah 4d, panel kiri).

Begitu juga, penggunaan rangsangan optogenetik 8 Hz tidak mempunyai kesan yang boleh dilihat pada kuasa riak (ujian-t dua ekor, t tidak berpasangan,6=0.378, p=0.718; Rajah Tambahan 4b, panel kanan), kekerapan(tidak berpasangan, ujian-t dua hujung, t{{10}} -1.643, p=0.151; TambahanRajah 4c, panel kanan) dan lebar (tidak berpasangan, dua ekor ujian-t, t6=-0.138,p=0.894; Rajah Tambahan 4d, panel kanan). Bersama-sama dengan keputusan histologi kami dan laporan terdahulu bahawa rangsangan optogenetik neuron kolinergik MS mengurangkan kejadian SWRs57, kami mendapati bahawa rangsangan optogenetik ini tidak menjejaskan input kolinergik ke hippocampus.

For more information:1950477648nn@gmail.com