Bahagian 1: Kecerunan Dopamin Mengawal Akses Kepada Memori Kerja Teragih dalam Korteks Monyet Berskala Besar

Hubungi: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Sean Froudist-Walsh,1 Daniel P. Bliss,1 Xingyu Ding,1 Lucija Rapan,2 Meiqi Niu,2 Kenneth Knoblauch,3,4 Karl Zilles,2,8 Henry Kennedy,3,4,5,7 Nicola Palomero-Gallagher ,2,6,7 dan Xiao-Jing Wang1,7,9,*

1Pusat Sains Neural, Universiti New York, New York, NY 10003, Amerika Syarikat

2 Pusat Penyelidikan Julich, INM-1, Julich, Jerman

3 INSERM U846, Institut Penyelidikan Sel Stem & Otak, 69500 ​​Bron, Perancis

4 Universite´ de Lyon, Universite´ Lyon I, 69003 Lyon, Perancis

5 Institut Neurosains, Makmal Utama Neurosains Negeri, Akademi Sains China (CAS), Makmal Utama Neurobiologi Primat CAS, Shanghai, China

Klik di sini untuk bahagian 2

RINGKASAN

Dopamin diperlukan untukingatan kerja, tetapi bagaimana ia memodulasi korteks berskala besar tidak diketahui. Di sini, kami melaporkan bahawa ketumpatan reseptor dopamin setiap neuron, diukur dengan autoradiografi, memaparkan kecerunan makroskopik bersama-sama dengan hierarki kortikal kera. Kecerunan ini digabungkan dalam model korteks berskala besar berasaskan connectome yang dikurniakan dengan pelbagai jenis neuron. Model ini menangkap pergantungan berbentuk U terbalikingatan kerjapada dopamin dan corak spatial aktiviti berterusan yang diperhatikan dalam lebih 90 kajian eksperimen. Selain itu, kami menunjukkan bahawa dopamin adalah penting untuk menapis rangsangan yang tidak berkaitan dengan meningkatkan perencatan daripada interneuron yang menyasarkan dendrit. Model kami mendedahkan bahawa jejak memori senyap aktiviti boleh direalisasikan dengan memudahkan sambungan antara kawasan dan pelarasan dopamin kortikal mendorong peralihan dari keadaan memori dalaman ini kepada aktiviti berterusan yang diedarkan. Kerja kami mewakili pemahaman merentas peringkat daripada molekul dan jenis sel kepada dinamik litar berulang yang mendasari fungsi kognitif teras yang diedarkan merentasi korteks primata.

Cistanche boleh meningkatkan daya ingatan

PENGENALAN

Keupayaan kita untuk berfikir melalui masalah yang sukar tanpa gangguan adalah ciri kognisi. Apabila berhadapan dengan aliran maklumat yang berterusan, kita mesti menyimpan maklumat tertentu dalam fikiran dan melindunginya daripada gangguan. Sebagai contoh, apabila di pasar raya mencari mentega kegemaran anda, adalah penting untuk mengingati pembungkusan emasnya yang tersendiri dan tidak terganggu oleh banyak produk tenusu lain. Fungsi otak ini dipanggilingatan kerja. Memori bekerja selalunya melibatkan aktiviti saraf berterusan yang khusus kepada maklumat yang mesti diingati. Aktiviti mnemonik ini dikekalkan secara dalaman merentasi pelbagai kawasan kortikal dan subkortikal tanpa adanya rangsangan luar (Funahashi et al., 1989; Fuster dan Alexander, 1971; Guo et al., 2017; Leavitt et al., 2017; Mejias dan Wang, 2021; Men-doza-Halliday et al., 2014; Murray et al., 2017; Romo et al., 1999; Romo dan Salinas, 2003; Vergara et al., 2016; Wang, 2001; Zhang et al., 2019 ).

Ingatan kerjadan korteks prefrontal berada di bawah pengaruh modulasi monoaminergik (Goldman-Rakic, 1995; Robbins dan Arnsten, 2009). Malah, pengurangan dopamin dari korteks prefrontal dan ablasi lengkap korteks prefrontal menyebabkan defisit memori kerja yang serupa (Brozoski et al., 1979). Dopamine memodulasi aktiviti kortikal melalui reseptornya. Reseptor D1 adalah jenis reseptor dopamin yang paling padat dinyatakan dalam korteks. Aktiviti neuron prefrontal semasa ingatan bekerja bergantung pada tahap pengaktifan reseptor D1 yang tepat, dengan terlalu sedikit atau terlalu banyak rangsangan D1 yang mengganggu aktiviti tempoh kelewatan (Vijayraghavan et al., 2007; Wang et al., 2019). Walau bagaimanapun, ketumpatan reseptor D1 hanya diketahui untuk bahagian korteks monyet yang agak kecil (Goldman-Rakic ​​et al., 1990; Impieri et al., 2019; Lidow et al., 1991; Niu et al., 2020; Richfield et al., 1989). Oleh kerana kekurangan kawasan yang dianalisis merentas kajian, tidak jelas sama ada variasi dalam ketumpatan reseptor D1 merentas kawasan kortikal mewakili heterogeniti rawak atau kecerunan sistematik modulasi dopamin kortikal.

Reseptor dopamin juga dinyatakan secara berbeza merentasi pelbagai jenis neuron perencatan (Mueller et al., 2018, 2020). Jenis sel perencatan yang berbeza terutamanya memfokuskan perencatan mereka pada dendrit atau somata sel piramid atau pada neuron perencatan lain (Jiang et al., 2015; Tremblay et al., 2016). Melalui kesannya yang berbeza pada interneuron yang berbeza, dopamin mengurangkan perencatan kepada somata sel piramid dan meningkatkan perencatan kepada dendrit (Gao et al., 2003). Kajian teori awal mencadangkan bahawa perencatan yang disasarkan dengan lebih kuat ke arah dendrit dan jauh dari somata sel piramid boleh meningkatkan rintangan memori kerja terhadap gangguan (Wang et al., 2004a). Kepentingan fungsi kesan pembezaan dopamin pada jenis neuron perencatan yang berbeza belum lagi disiasat.

Dalam kerja ini, kami menangani dua soalan terbuka. Pertama, bagaimana dopamin memodulasi diedarkaningatan kerjamerentasi sistem kortikal berskala besar berbilang wilayah? Kedua, berdasarkan penekanan pada jenis sel dalam fisiologi kortikal moden, adakah dopamin menyumbang kepada ingatan kerja yang teguh terhadap gangguan berdasarkan kesan pembezaan pada kelas neuron yang berbeza? Untuk menangani soalan-soalan ini, kami melakukan pemetaan kuantitatif ketumpatan reseptor dopamin D1 merentasi 109 kawasan kortikal menggunakan autoradiografi in vitro dan membina model pengiraan berskala besar korteks kera yang mampu melaksanakan tugas memori kerja. Model ini dibina menggunakan data ketersambungan pengesanan saluran retrograde dan menggabungkan kecerunan reseptor D1 dan sinaps pengujaan. Lebih-lebih lagi, untuk pengetahuan kami, ini adalah model korteks berskala besar pertama yang dikurniakan tiga subjenis neuron perencatan. Keputusan kami menunjukkan bahawa penembakan neuron dopamin boleh melibatkan aktiviti yang tahan gangguan, selektif rangsangan, merentasi pelbagai kawasan otak sebagai tindak balas kepada rangsangan yang berkaitan dengan tingkah laku. Tambahan pula, kami memanjangkan, dari kawasan tempatan ke korteks berbilang wilayah, mekanisme senyap aktiviti yang telah dicadangkan untuk bentuk tertentu jejak ingatan jangka pendek tanpa aktiviti berterusan (Mongillo et al., 2008; Rose et al., 2016; Wolff et al., 2017). Kami mendapati bahawa senario ini bergantung terutamanya pada kemudahan jangka pendek sambungan antara kawasan tetapi gagal untuk menentang gangguan. Modulasi dopamin yang dipertingkatkan boleh menukar surih memori dalaman kepada keadaan aktiviti berterusan aktif yang diperlukan untuk menapis gangguan. Oleh itu, penemuan kami menyumbang kepada menyelesaikan perdebatan semasa tentang dua senario berbeza yang menyumbang kepadaingatan kerja(Constantinidis et al., 2018; Lundqvist et al., 2018; Wa- Tanabe dan Funahashi, 2014) dan dalam keadaan apa setiap mekanisme dilaksanakan (Barbosa et al., 2020; Masse et al., 2019; Trbutschek et al. , 2019).

KEPUTUSAN

Kecerunan hierarki reseptor dopamin D1 setiap neuron merentasi korteks monyet

Kami mula-mula menganalisis corak pengedaran reseptor D1 dan D2 di seluruh otak kera menggunakan autoradiografi reseptor in vitro (Rajah S1). Autoradiografi membolehkan pengiraan reseptor endogen dalam membran sel melalui penggunaan ligan radioaktif (Niu et al., 2020; Palomero-Gallagher dan Zilles, 2018; Rapan et al., 2021). Ketumpatan tertinggi (dalam fmol / mg protein) kedua-dua jenis reseptor didapati dalam ganglia basal, dengan nukleus caudate (D1, 298±28; D2, 188± 30) dan putamen (D1, 273±40; D2, 203). ±37) membentangkan nilai yang jauh lebih tinggi daripada subbahagian dalaman (D1, 97±34; D2, 22± 12) atau luaran (D1, 55±16; D2, 30±11) globus pallidus. Ketumpatan reseptor D1 kortikal mentah berjulat daripada 49± 13 fmol/mg protein di kawasan 4a korteks motor utama kepada 101±35 fmol/mg protein dalam kawasan orbitofrontal 11l (Rajah 1A).

Ketumpatan reseptor D2 dalam korteks adalah sangat rendah sehingga ia tidak dapat dikesan dengan kaedah yang digunakan di sini.

Untuk membandingkan kecerunan reseptor D1 dengan kecerunan lain organisasi anatomi yang diketahui dalam korteks monyet, kami dengan teliti memetakan data reseptor (Rajah 1A) serta data mengenai ketumpatan neuron (Rajah 1B; Collins et al., 2010) dan kiraan tulang belakang (Rajah 1C; Elston, 2007) ke templat kortikal biasa Yerkes19, yang mana data pengesanan saluran anatomi (Rajah 1D, i) telah dipetakan sebelum ini (Donahue et al., 2016). Di sini kami memasukkan data pengesanan retrograde dari 40 wilayah, dikira menggunakan protokol yang sama seperti dalam penerbitan sebelumnya (Markov et al., 2014b). Ini mengembangkan bilangan kawasan kortikal yang disuntik sebanyak 33 peratus , dengan sambungan ke kawasan 1, 3, V6, F4, F3, 25, 32, 9, 45A dan OPRO (korteks proiso orbit) kini disertakan dalam pangkalan data (boleh dimuat turun dari teras. -nets.org). Kami menganggarkan hierarki kortikal menggunakan data sambungan laminar (Rajah 1D, ii; Kaedah STAR; Markov et al., 2014a), memperluaskan perihalan sebelumnya mengenai hierarki kortikal berdasarkan kawasan yang lebih sedikit (Markov et al., 2014a; Mejias et al., 2016). Hierarki satu dimensi mungkin merupakan penyederhanaan struktur ketersambungan kortikal. Oleh kerana kami mempunyai data ketersambungan untuk dua modaliti deria yang berbeza, kami juga mengira pembenaman bulat data ketersambungan, dengan jarak jejarian dari tepi yang mewakili kedudukan hierarki dan jarak sudut antara titik yang mewakili songsangan kekuatan ketersambungan mereka (Chaudhuri et al., 2015). Dalam perwakilan bulat ini, hierarki visual dan somatosensori yang berasingan boleh dihargai dengan jelas, dengan kawasan persatuan jatuh pada sudut dari paksi hierarki deria utama (Rajah 1E).

Untuk memudahkan tafsiran berfungsi, kami membahagikan ketumpatan reseptor D1 mengikut ketumpatan neuron (Collins et al., 2010) untuk membenarkan anggaran tahap dopamin memodulasi neuron individu merentas korteks. Ketumpatan reseptor D1 setiap neuron memuncak dalam korteks parietal dan frontal dan agak rendah dalam korteks deria awal (Rajah 1F). Terdapat korelasi positif yang kuat antara ketumpatan reseptor D1 setiap neuron dan hierarki kortikal (Rajah 1G; r=0.81). Oleh kerana korelasi auto spatial antara ciri kortikal (iaitu, bahagian korteks yang berdekatan cenderung mempunyai anatomi yang serupa), adalah mungkin untuk mengesan korelasi palsu antara ciri anatomi otak yang berbeza. Untuk mengambil kira perkara ini, kami menjana 10,000 peta ganti dengan autokorelasi spatial yang serupa dengan peta hierarki (Burt et al., 2020). Tiada satu pun daripada peta pengganti ini berkorelasi kuat dengan peta ketumpatan reseptor D1 sebagai hierarki, memberikan nilai p kurang daripada 0.0001 untuk korelasi hierarki reseptor D1. Tiada hubungan yang signifikan antara ekspresi reseptor D1 dan sama ada kawasan kortikal mempunyai lapisan berbutir IV (Wilcoxon rank-sum Z=0.39, p=0.70) atau pada tahap Dexternopyramidalization (Kruskal). - Wallis c2=1.47, p=0.48; Goulas et al., 2018; Sanides, 1962; Rajah S2). Corak ekspresi reseptor ini menunjukkan bahawa dopamin pada dasarnya memodulasi kawasan yang menyumbang kepada pemprosesan kognitif yang lebih tinggi.

Kami kemudian membina model berskala besar korteks kera. Kami meletakkan litar tempatan di setiap 40 kawasan kortikal (Rajah 2A, kanan). Sifat litar tempatan ini berbeza-beza merentasi kawasan dalam bentuk kecerunan makroskopik (Wang, 2020) ketersambungan jarak jauh (ditetapkan oleh data pengesanan), kekuatan pengujaan (ditetapkan oleh kiraan tulang belakang) dan modulasi oleh reseptor D1 (set oleh data autoradiografi reseptor). Kami mentakrifkan hubungan antara kawasan menggunakan data pengesanan saluran retrograde kuantitatif. Dalam model, sambungan antara areal adalah merangsang dan menyasarkan dendrit sel piramid (Petreanu et al., 2009). Sambungan pengujaan antara kawasan juga menyasarkan sel calretinin (CR)/vasoactive intestinal peptide (VIP) ke tahap yang lebih tinggi daripada sel parvalbumin (PV) atau calbindin (CB)/somatostatin (SST) (Lee et al., 2013; Wall et al. ., 2016). Medan mata hadapan (FEF) mempunyai ketumpatan luar biasa tinggi sel CR (di sini CR/VIP) (Pouget et al., 2009). Untuk mengambil kira perkara ini, kami meningkatkan perkadaran input antara kawasan kepada sel CR/VIP dalam FEF dan mengurangkan kekuatan input kepada sel PV dan CB/SST.

Hubungan U terbalik antara rangsangan reseptor D1 kortikal dan aktiviti ingatan kerja teragih

Kami mensimulasikan model kortikal berskala besar semasa prestasi aingatan kerjatugas (Rajah 2C) dengan tahap ketersediaan dopamin kortikal yang berbeza. Dalam simulasi, rangsangan-selektifKesambungan antara kawasan menentukan corak aktiviti ingatan kerja yang diedarkan.Kami seterusnya membandingkan corak aktiviti tempoh kelewatan dalam model dengan aktiviti tempoh kelewatan yang diperhatikan dalam lebih 90 kajian elektrofisiologi (Leavitt et al., 2017). Kami memilih parameter model yang akan menghasilkan aktiviti berterusan dalam korteks prefrontal, tetapi kami tidak menyesuaikan model dengan data eksperimen. Daripada 19 kawasan kortikal di mana aktiviti sedemikian telah dinilai semasa tempoh kelewatan dalam sekurang-kurangnya tiga kajian eksperimen, 18 adalah dalam persetujuan antara simulasi dan keputusan percubaan (c2=15:03; p=0: 0001 Rajah 3A). Secara keseluruhannya, aktiviti berterusan yang diperhatikan secara eksperimen daripada banyak kajian diterbitkan semula, mengesahkan model. Ini membolehkan kita memeriksa sifat anatomi yang mendasari corak aktiviti yang diedarkan dan mendapatkan gambaran tentang mekanisme otak yang mungkin menghasilkannya.

Kami mengulangi simulasi model selepas merombak data anatomi. Corak aktiviti tempoh kelewatan untuk 30,000 simulasi berdasarkan anatomi yang dikocok telah dibandingkan dengan corak yang diperhatikan secara eksperimen. Sepuluh ribu simulasi dijalankan menggunakan sambungan antara kawasan yang dikocok, ekspresi reseptor D1 yang dikocok, dan ekspresi tulang belakang dendritik yang dikocok secara berasingan. Pertindihan antara corak aktiviti berterusan eksperimen dan corak aktiviti berterusan model sangat bergantung pada sambungan antara kawasan (p=0.0004) tetapi bukan pada corak reseptor D1 (p=0.71 ) atau kiraan tulang belakang dendritik (p=0.46) (Rajah 3B). Analisis ini mencadangkan bahawa tepi antara nod dalam rangkaian (iaitu, sambungan antara kawasan) adalah penting untuk mentakrifkan corak spatial aktiviti tempoh kelewatan. Seterusnya, kami bertanya bagaimana nod itu sendiri (iaitu, kawasan kortikal individu) menyumbang secara berbeza kepada ingatan kerja teragih.

Defisit ingatan bekerja adalah paling teruk berikutan lesi pada kawasan prefrontal dengan ketumpatan reseptor D1 yang tinggi

Kami seterusnya mengukur sejauh mana lesi fokus pada kawasan individu dalam model mengganggu aktiviti berterusan semasa tugas ingatan bekerja (tanpa gangguan). Kesannya bergantung pada kawasan lesi dan tahap dopamin kortikal (Rajah 3C). Lesi pada kawasan parietal prefrontal dan posterior menyebabkan pengurangan terbesar dalam kadar pembakaran tempoh kelewatan (Rajah 3D, E). Lesi pada kawasan hadapan menyebabkan pengurangan ketara yang lebih besar dalam kadar kebakaran tempoh kelewatan daripada lesi pada kawasan parietal (Mann- Whitney U=46.0, p=0.027). Kami menguji kesan lesi yang semakin besar pada korteks hadapan dan parietal. Untuk meningkatkan saiz lesi, untuk setiap lobus kami mula-mula melukakan kawasan yang menyebabkan penurunan terbesar dalam aktiviti kelewatan apabila lesi secara individu dan kemudian menambah luka kawasan yang menyebabkan kejatuhan kedua terbesar dan seterusnya (lesi hadapan 1: 46d, lesi 2: 46d tambah 8B, lesi 3: 46d tambah 8B tambah 8 m, dsb.; lesi parietal 1: BIBIR, lesi 2: BIBIR tambah 7m, lesi 3: BIBIR tambah 7 m tambah 7B., dsb.). Apabila melukai dua kawasan hadapan, aktiviti tempoh kelewatan mnemonik telah musnah sepenuhnya di seluruh korteks, jadi rangkaian tidak lagi dapat melaksanakan tugas itu. Sebaliknya, lesi yang semakin besar pada korteks parietal menyebabkan hanya penurunan beransur-ansur dalam aktiviti kelewatan frontoparietal, dan walaupun apabila keseluruhan korteks parietal dikeluarkan (10 kawasan), aktiviti tempoh kelewatan mnemonik sisa yang mencukupi kekal untuk membolehkan rangsangan isyarat dinyahkodkan ( Rajah 3F).

Kami kemudiannya menangani keupayaan model untuk mengekalkan aktiviti tempoh kelewatan khusus isyarat dengan kehadiran gangguan berikutan lesi yang tepat bagi setiap kawasan kortikal. Kami menganalisis ujian merentasi semua peringkat ketersediaan dopamin kortikal. Lesi pada tiga kawasan prefrontal (8m, 46d, dan 8B), tetapi bukan kawasan lain, menyebabkan gangguan sepenuhnya aktiviti ingatan kerja tahan distraktor dalam semua ujian. Lesi ke banyak kawasan lainmenyebabkan pengurangan sepenuhnya aktiviti ingatan kerja tahan distraktor untuk beberapa ujian (bersamaan dengan julat dopamin tertentu) tetapi bukan yang lain. Tujuh lesi yang menyebabkan gangguan terbesar prestasi memori kerja adalah di korteks hadapan (enam kawasan prefrontal dan kawasan pramotor F7; Rajah 3G). Pengurangan dalam prestasi adalah lebih ketara untuk lesi pada kawasan kortikal hadapan berbanding kawasan parietal (Mann- Whitney U=48.5, p=0.032). Oleh itu, simulasi kami mencadangkan bahawa (1) lesi pada korteks parietal prefrontal dan posterior boleh menyebabkan gangguan ketara aktiviti tempoh kelewatan, (2) lesi frontal mempunyai kesan yang lebih besar terhadap tingkah laku daripada lesi parietal, dan (3) lesi yang lebih kecil, terutamanya kepada korteks prefrontal, boleh mengganggu prestasi pada tugas memori kerja yang lebih sukar, seperti yang mempunyai gangguan. Sebaliknya, lesi yang lebih besar diperlukan untuk mengganggu prestasi pada tugas memori kerja yang mudah.