Pengaktifan Optogenetik Septum Medial Menjejaskan Pembentukan Ingatan Pengecaman Objek Jangka Panjang

Abstrak

Theta ialah salah satu daripada ayunan segerak ekstraselular otak mamalia yang paling menonjol. Hippocampaltheta bergantung pada septum medial (MS) yang utuh dan telah direkodkan secara konsisten semasa fasa latihan beberapa paradigma pembelajaran, menunjukkan bahawa ia mungkin terlibat dalam pemprosesan memori jangka panjang yang bergantung kepada hippocampus.

Pemprosesan memori adalah fungsi penting dalam otak manusia. Ia melibatkan proses seperti mengenal pasti, mengekod, menyimpan dan mendapatkan semula maklumat. Ia adalah keupayaan penting dalam kehidupan seharian kita yang berkait rapat dengan pembelajaran, kerja, interaksi sosial, dan aspek lain. Ingatan merujuk kepada keupayaan otak manusia untuk mengekalkan maklumat, yang menentukan keupayaan kita untuk belajar daripada pengalaman lalu dan menerapkannya dalam kehidupan masa depan.

Pemprosesan memori adalah asas untuk meningkatkan ingatan. Melalui keupayaan pemprosesan memori yang cekap, kami boleh mengekod, menyimpan dan mendapatkan maklumat dengan lebih baik, dengan itu meningkatkan ingatan. Apabila kita perlu menghafal sesuatu maklumat, mula-mula kita perlu mengenal pasti dan mengekod maklumat pada mulanya, dan kemudian menyimpan maklumat yang dikodkan ke dalam bank memori jangka panjang otak. Akhir sekali, apabila kita perlu menggunakan maklumat ini, kita boleh mendapatkannya melalui pengambilan semula. Jika proses ini dijalankan dengan cekap, ingatan kita akan bertambah baik secara semula jadi.

Sudah tentu, keupayaan pemprosesan memori tidak dicapai dalam sekelip mata dan perlu diperbaiki melalui latihan terkumpul dari semasa ke semasa. Sebagai contoh, dari segi mengenal pasti maklumat, kita boleh meningkatkan kepekaan kita terhadap maklumat melalui latihan berterusan, untuk melakukan pengiktirafan awal; dari segi pengekodan dan penyimpanan maklumat, kita boleh meningkatkan kesan ingatan dengan menggunakan kaedah seperti istana memori; Dari segi mendapatkan maklumat, kita boleh meningkatkan kelajuan dan ketepatan mendapatkan semula melalui latihan berulang.

Pendek kata, pemprosesan memori dan ingatan tidak dapat dipisahkan. Melalui latihan dan pengumpulan pengalaman yang berterusan, kami boleh meningkatkan keupayaan pemprosesan ingatan kami, dengan itu meningkatkan ingatan kami dan menjadikan hidup kami lebih berwarna. Dapat dilihat bahawa kita perlu meningkatkan daya ingatan. Cistanche deserticola boleh meningkatkan daya ingatan dengan ketara kerana Cistanche deserticola ialah bahan perubatan tradisional Cina dengan 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

Ingatan pengecaman objek (ORM) membolehkan haiwan mengenal pasti item biasa dan penting untuk mengingati fakta dan peristiwa. Dalam tikus, pembentukan ORM jangka panjang memerlukan hippocampus berfungsi tetapi penglibatan MS dalam proses ini masih kontroversi. Kami mendapati bahawa melatih tikus Wistar jantan dewasa dalam tugas pembelajaran yang mendorong ORM jangka panjang yang melibatkan pendedahan kepada dua objek rangsangan novel yang berbeza tetapi setara dengan tingkah laku meningkatkan kuasa hippocampaltheta, dan penindasan theta melalui ketidakaktifan MS optogenetik menyebabkan amnesia.

Yang penting, amnesia adalah khusus untuk objek yang diterokai oleh haiwan apabila MS dinyahaktifkan. Diambil bersama, keputusan kami menunjukkan bahawa MS diperlukan untuk pembentukan ORM jangka panjang dan mencadangkan bahawa aktiviti theta hippocampal dikaitkan dengan proses ini.

Kata kunci:

Irama Theta, Amnesia, Hippocampus, Ayunan otak, dan ingatan jangka panjang.

Teks utama

Ayunan saraf ialah corak irama berulang bagi aktiviti elektrik yang berlaku secara spontan atau tidak bertindak balas terhadap rangsangan. Teta ialah neuralosilasi perlahan (5–10 Hz) yang kebanyakannya ditemui di hippocampus, terutamanya di rantau CA1, di mana ia lebih teratur dan menunjukkan amplitud maksimum [1]. Hippocampaltheta sensitif kepada lesi septum medial (MS) [2] dan, walaupun korelasi tingkah lakunya belum dijelaskan sepenuhnya, bukti yang luas menunjukkan bahawa ia menyokong pembelajaran [3-5].

Sesungguhnya, theta memudahkan potensiasi jangka panjang hippocampal (LTP) [6], model selular utama memori jangka panjang yang bergantung kepada hippocampus. Ingatan pengecaman objek (ORM) membolehkan haiwan menentukan kebiasaan item dan penting untuk mengingati peristiwa dan merancang tindakan. Dalam tikus, latihan dalam paradigma pembelajaran berasaskan ORM mengaktifkan beberapa laluan isyarat berkaitan keplastikan dan mendorong LTP indorsal CA1, menunjukkan bahawa hippocampus adalah penting untuk pembentukan ORM jangka panjang [7-9]. Sebaliknya, penyertaan MS dalam proses ini masih menjadi kontroversi. Sebagai contoh, lesi septum yang menjejaskan memori ruang dan kerja tidak menjejaskan ORM jangka panjang [10, 11] tetapi rangsangan MS melemahkan defisit ORM jangka panjang yang diperhatikan dalam tikus epilepsi dengan meningkatkan aktiviti theta hippocampal [12].

Oleh itu, kami menetapkan untuk menganalisis sama ada theta hippocampal yang dikawal oleh MS sememangnya dikaitkan dengan pengekalan ORM jangka panjang. Pertama, kami menentukan sama ada pembentukan ORM jangka panjang mempengaruhi theta hippocampal. Untuk melakukan itu, kami menanam tatasusunan elektrod di kawasan dorsal CA1 tikus jantanWistar dewasa (3 bulan, 300–350 g). Kami melatih mereka dalam paradigma pengecaman objek novel, tugas mendorongORM jangka panjang berdasarkan keutamaan semula jadi tikus untuk kebaharuan yang melibatkan pendedahan kepada dua objek novel A yang berbeza tetapi setara dengan tingkah laku, arena medan terbuka yang biasa untuk {{10} }min (Gamb. 1a) [13]. Kamera video adigital yang dipasang di atas arena telah digunakan untuk menjejak, merakam dan menganalisis kedudukan dan tingkah laku haiwan dengan perisian sistem ObjectScan (untuk butiran lihat Fail tambahan 1).

Peristiwa penerokaan ditakrifkan sebagai Lebih Besar daripada atau sama dengan {{0}}.5-zaman yang panjang di mana haiwan menghidu dan/atau menyentuh objek rangsangan dengan muncung dan/atau kaki depannya. Semua zaman lain yang lebih besar daripada atau bersamaan dengan 0.5 s indurasi dianggap sebagai peristiwa antara penerokaan dan, daripada ini, kami selanjutnya mempertimbangkan hanya masa yang mana purata kelajuan pergerakan adalah Kurang daripada atau sama dengan min kelajuan pergerakan semua acara penerokaan. Peristiwa yang berkekalan< 0.5 s were excluded from the analysis. Local field potentials (LFP) were recorded continuously during the training session. Signals were amplified, digitized, filtered at cutoff frequencies of 0.3 and 250 Hz, and sampled at 1 kHz. Data from time windows corresponding to exploration and inner exploration events were extracted and analyzed often using built-in or custom-written routines (see Additional file 1 for details). As expected, the exploration time and the number of exploration events during training did not differ between objects A and B (Fig. 1b; t (5)=0.79, P=0.46 for exploration time; t (5)=1.21, P=0.28 for exploration events in paired t-test). 

Aktiviti penerokaan diperhatikan sepanjang sesi latihan (Rajah 1b). Aktiviti teta juga terbukti sepanjang sesi ini (Rajah 1c), tetapi kuasa theta, yang meramalkan pembelajaran [14], adalah tinggi terutamanya semasa penerokaan objek (Rajah 1d,e ). Sesungguhnya, analisis spektrum kuasa menunjukkan bahawa kuasa semasa penerokaan objek adalah 36±7%lebih tinggi berbanding semasa tempoh antara penerokaan (Rajah 1f, g;F (2, 10)=15.55; P{{12} }.0009. Obj A lwn IE, P=0.002, ObjB lwn IE, P=0.001 dalam ujian perbandingan berbilang Bonferroni selepas RM ANOVA sehala).

Teta peak frequency did not differ between exploration and inter-exploration events (Fig. 1f; F (2, 10)=3.29; P=0.079 in RM one-way ANOVA). Neither the power nor the peak frequency of theta differed between object A and object B exploration epochs (Fig.  1f; Obj A vs Obj B, P>0.99 untuk thetapower; Obj A lwn Obj B, P=0.13 untuk kekerapan puncak dalam ujian perbandingan berbilang Bonferroni selepas RM ANOVA sehala). Sehari selepas latihan, pengekalan ORM jangka panjang telah dinilai dengan mendedahkan semula haiwan kepada objek biasa A dan objek novel C. Seperti yang dijangkakan, haiwan itu lebih suka meneroka objek novel pada ujian (TT; Rajah 1h; t (5){ {9}}.95, P=0.0009 dalam satu sampel ujian-t dengan min teori=50).

Fungsi MS normal adalah penting untuk aktiviti theta hippocampal [2]. Penyahaktifan MS telah digunakan sebelum ini sebagai alat untuk menghapuskan theta hippocampal semasa pembelajaran [15]. Sebelum ini, kami menunjukkan bahawa rangsangan cahaya kuning (565 nm) MS tikus yang mengekspresikan penyenyap saraf optik penderia cahaya kuning archaerhodopsin T (ArchT; lihat Fail tambahan 1 untuk butiran teknikal) [16] dengan cepat dan secara berbalik membatalkan theta dalam dorsal CA1 [17] . Oleh itu, untuk menganalisis penglibatan MS dalam pembentukan ORM jangka panjang dan untuk menilai lagi sama ada theta hippocampal sememangnya dikaitkan dengan proses ini, tikus yang menyatakan ArchT dalam MS telah dilatih dalam paradigma pengenalan objek novel menggunakan objek asstimuli A dan B, dan kuning. cahaya telah dihantar ke MSjust semasa penerokaan objek A (Rajah 1i).

Prosedur ini tidak menjejaskan aktiviti lokomotor (Rajah 1j, k; t (39)=1.29, P=0.20 untuk LigthOFF lwn LightON A dalam ujian-t tidak berpasangan), masa penerokaan objek (Rajah . 1l; t (39)=1.33, P=0.18 untukLigthOFF lwn LightON A dalam ujian-t tidak berpasangan), atau bilangan peristiwa penerokaan (Rajah 1l; t (39){ {16}}.93, P=0.06untuk LigthOFF lwn LightON A dalam ujian-t tidak berpasangan). ORM jangka panjang telah dinilai semasa sesi ujian pengekalan dengan kehadiran objek biasa A atau objek biasa B bersama objek baharu C dijalankan 24-h selepas latihan. Kami mendapati bahawa haiwan pengekspresi ArchT yang tidak dirangsang mendiskriminasi objek A dan B daripada objek baru C (Rajah 1m,n; t (10)=5.96, P<0.0001 for test AC, t (10)=7.48, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50); however, rats that had been delivered yellow light on the MS during object A exploration at training discriminated object B but not object A from novel object C at test (Fig. 1m, n; t (9)=1.38, P=0.19 for test AC, t (8)=7.30, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50).

Amplitud theta hippocampal bergantung pada kelajuan pergerakan [18], tetapi tidak mungkin perubahan dalam pembolehubah ini boleh menyumbang kepada peningkatan kuasa theta yang kami perhatikan semasa latihan kerana kami hanya membandingkan peristiwa penerokaan dengan acara antara penerokaan yang dipadankan untuk kelajuan yang serupa. Juga tidak mungkin bahawa amnesia yang dicetuskan oleh ketidakaktifan MS adalah disebabkan oleh ingatan terjejas, prestasi latihan di bawah taraf, ekspresi berlebihan binaan optogenetik, atau kesan berbahaya daripada rangsangan cahaya semata-mata, kerana ia adalah khusus untuk objek yang diterokai oleh haiwan semasa penindasan optogenetik digunakan, dan penghantaran cahaya. tidak menjejaskan penerokaan objek. MS bukan sahaja memproyeksikan ke hippocampus tetapi juga korteks cingulate anterior (ACC) [19]. Oleh itu, amnesia yang disebabkan oleh MSinactivation berpotensi disebabkan oleh gangguan interaksi ini.

Walau bagaimanapun, ACC tidak terlibat dalam pembentukan ORM jangka panjang [20] dan perencatan unjuran MS-ACC tidak menjejaskan bentuk ingatan seperti deklaratif ini [21]. Oleh itu, adalah tidak munasabah bahawa gangguan fungsi ACC boleh menyumbang kepada keputusan kami yang mungkin disebabkan oleh perencatan theta hippocampal. Tanggapan bahawa hippocampus diperlukan untuk pemprosesan ORM telah menerima sokongan eksperimen yang luas, tetapi ia tidak diterima sebulat suara [22]. Sebagai contoh, pra-latihan intra-hippocampal muscimoladministration menjejaskan ORM hanya apabila selang latihan lebih lama daripada 10 min [23], menunjukkan bahawa hippocampus tidak diperlukan untuk ORM jangka pendek ingat, bahawa kawasan otak lain mengambil alih peranan hippocampus dalam jangka pendek. pemprosesan ORM jangka apabila ianya dilumpuhkan untuk masa yang lama, atau ORM jangka pendek dan jangka panjang melibatkan mekanisme bebas, seperti yang telah dilaporkan untuk jenis ingatan lain [24].

Dalam hal ini, data kami menunjukkan bahawa hippocampus adalah kunci untuk pembentukan ORM jangka panjang dan menyokong lagi idea bahawa dua kenangan objek jangka panjang yang diperoleh semasa latihan dalam tugas pengecaman objek novel adalah bebas [13]. Tambahan pula, fakta bahawa haiwan itu amnesik hanya untuk objek yang mereka terokai apabila MS dinyahaktifkan dengan kuat menunjukkan bahawa theta bukan hanya hasil sampingan keplastikan saraf yang disebabkan oleh pembelajaran tetapi secara fungsional dikaitkan dengan pengiraan yang berlaku dalam hippocampus semasa pembentukan ORM jangka panjang.

Rujukan

1. Buzsáki G. Theta ayunan dalam hippocampus. Neuron.2002;33(3):325–40.https://doi.org/10.1016/s0896-6273(02)00586-x.

2. Yoder RM, Pang KC. Penglibatan neuron septum GABAergic dan cholinergikmedial dalam irama theta hippocampal. Hippocampus.2005;15(3):381–92.https://doi.org/10.1002/hipo.20062.

3. Seager MA, Johnson LD, Chabot ES, Asaka Y, Berry SD. Keadaan otak berayun dan pembelajaran: Kesan latihan kontinjen theta hippocampal.Proc Natl Acad Sci USA. 2002;99(3):1616–20. https://doi.org/10.1073/pnas.032662099 (Epub 2002 Jan 29).

4. Düzel E, Penny WD, Burgess N. Ayunan dan ingatan otak. Curr OpinNeurobiol. 2010;20(2):143–9. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.01.004(Epub 2010 22 Feb).

5. Berry SD, Seager MA. Ayunan theta hippocampal dan pelaziman klasik. Neurobiol Belajar Mem. 2001;76(3):298–313.https://doi.org/10.1006/nlme.2001.4025.

6. Huerta PT, Lisman JE. Keplastikan sinaptik semasa ayunan frekuensi theta kolinergik secara in vitro. Hippocampus. 1996;6(1):58–61.https://doi.org/10.1002/(SICI)10981063(1996)6:1%3c58:AID-HIPO10%3e3.0.CO;2-J.

7. Ill-Raga G, Köhler C, Radiske A, Lima RH, Rosen MD, Muñoz FJ, CammarotaM. Penyatuan ingatan pengecaman objek memerlukan fosforilasi bergantung kepada HRI kinase bagi eIF2 dalam hippocampus. Hippocam‑pus. 2013;23(6):431–6. https://doi.org/10.1002/hipo.22113 (Epub 2013Mac 18).

8. Myskiw JC, Rossato JI, Bevilaqua LR, Medina JH, Izquierdo I, CammarotaM. Mengenai penyertaan mTOR dalam ingatan pengiktirafan. NeurobiolLearn Mem. 2008;89(3):338–51. https://doi.org/10.1016/j.nlm.2007.10.002(Epub 2007 Nov 26).

9. Clarke JR, Cammarota M, Gruart A, Izquierdo I, Delgado-García JM. Pengubahsuaian plastik yang disebabkan oleh pemprosesan memori pengecaman objek. ProcNatl Acad Sci USA. 2010;107(6):2652–7. https://doi.org/10.1073/pnas.0915059107 (Epub 2010 Jan 25).

10. Kornecook TJ, Kippin TE, Pinel JP. Kerosakan otak depan basal dan pengecaman objek pada tikus. Behav Brain Res. 1999;98(1):67–76.

For more information:1950477648nn@gmail.com