Konsolidacja reprezentacji pamięci komórkowej w powierzchniowej korze nowej

STRESZCZENIE

Konsolidacja pamięci na poziomie systemowym, kluczowa koncepcja w badaniach nad pamięcią, obejmuje konwersję wspomnień, których tworzenie zależy od hipokampa, w wydajne formy niezależne od hipokampa, prawdopodobnie kodowane przez połączenia korowo-korowe. Jednak niewiele wiadomo na temat natury skonsolidowanych kodów neuronowych na poziomie zespołu komórkowego.

Wspomnienia na poziomie systemowym odnoszą się do preferencji lub wzorców zachowań, które dana osoba rozwija na wczesnym etapie życia i pogłębia się z biegiem czasu. Pamięć na poziomie systemu wpływa na myślenie, działania i decyzje danej osoby. Jest to zachowanie podświadome.

Natomiast pamięć odnosi się do zdolności danej osoby do przywoływania i zatrzymywania informacji. Dobra pamięć pomaga nam uczyć się umiejętności, rozwiązywać problemy i osiągać sukcesy. Aby jednak mieć doskonałą pamięć, potrzebujemy wsparcia pamięci na poziomie systemowym.

Pamięć na poziomie systemu poprawia naszą pamięć, ponieważ zapewnia nam ramy do zdobywania nowej wiedzy. Ilekroć uczymy się nowych rzeczy, zwykle łączymy je z tym, czego nauczyliśmy się wcześniej. To połączenie tworzy solidną strukturę wiedzy, która pomaga nam lepiej rozumieć i zapamiętywać nowe informacje.

Ponadto pamięć na poziomie systemowym może wpływać na sposób, w jaki myślimy. Jeśli wykształcimy pozytywne nastawienie do rozwiązywania problemów, będziemy myśleć jaśniej i szybciej, co ułatwi zapamiętywanie informacji i rozwiązywanie problemów. Z drugiej strony, jeśli rozwiniemy negatywną, pasywną postawę, nasze myślenie stanie się powolne i niejasne, co utrudni naszą pamięć i zdolność uczenia się.

Dlatego powinniśmy starać się kultywować dobrą pamięć na poziomie systemu, co pomoże poprawić naszą pamięć i wskaźnik sukcesu. Możemy rozwijać dobre nawyki, podążając w pozytywnym kierunku i utrwalając je w naszym codziennym życiu, tworząc w ten sposób pozytywne i proaktywne podejście do rozwiązywania problemów. W ten sposób możemy lepiej wykorzystać pamięć na poziomie systemu, aby poprawić naszą pamięć i zdolności uczenia się. Widać, że musimy poprawić pamięć, a Cistanche desericola może znacznie poprawić pamięć, ponieważ Cistanche desericola to tradycyjny chiński materiał leczniczy, który ma wiele unikalnych efektów, z których jednym jest poprawa pamięci. Skuteczność mięsa mielonego wynika z różnych zawartych w nim składników aktywnych, w tym kwasów, polisacharydów, flawonoidów itp. Składniki te mogą na różne sposoby promować zdrowie mózgu.

Kliknij Poznaj 10 sposobów na poprawę pamięci

Myszy potrzebują nienaruszonego hipokampa do „wirtualnego” uczenia się przestrzennego i rozwijania reprezentacji odpowiednich doświadczeń w korze nowej. Odkryliśmy, że podczas gdy nowe środowisko wirtualne nie jest ani uczone, ani reprezentowane w powierzchownej korze mózgowej po poważnym uszkodzeniu hipokampu, wspomnienia wyuczone przed operacją i odpowiadające im rzadkie i szeroko rozpowszechnione reprezentacje zespołów neuronalnych w warstwach korowych II–III zostają zachowane, co jest warunkiem sine qua non konsolidacji pamięci. Odkrycia te otwierają nowe możliwości dla przyszłych badań komórkowych mechanizmów konsolidacji pamięci.

WSTĘP

Uszkodzenie hipokampa poważnie upośledza nabywanie nowej, „epizodycznej” pamięci.1,2 Zjawisko to może być związane z pozycją hipokampa na szczycie hierarchii obszarów skojarzeń kory nowej oraz z faktem, że liczba neuronów korowych znacznie przekracza liczbę połączeń, które może obsłużyć dany neuron (Schwindel i McNaughton, 2011, do przeglądu).3 Ta rzadkość połączeń oznacza, że ​​tworzenie dowolnych powiązań w czasie rzeczywistym (zwłaszcza o długim zasięgu) byłoby trudne, ponieważ niezbędne synapsy między dowolnymi dwoma dowolnymi aktywnymi komórkami kory nowej najprawdopodobniej nie istniały wcześniej.

Kora nowa może przezwyciężyć ten problem poprzez szybkie tworzenie pośrednich powiązań pomiędzy aktualnie aktywnymi neuronami, za pośrednictwem wspólnego, odgórnego wzorca z hipokampa. Zgodnie z tym poglądem każde unikalne doświadczenie generuje odpowiadający mu unikalny, rzadki wzór w hipokampie, który służy jako kontekst lub „wskaźnik” 4–6 zestawu aktualnie aktywnych neuronów korowych. Wzorce te są unikalne dla lokalizacji i charakteru każdego doświadczenia (np. Leutgeb i in.7). Plastyczność skojarzeniowa w projekcjach sprzężenia zwrotnego z hipokampa („wskaźnik”) do odpowiednich aktywnych komórek korowych („atrybuty”) ') umożliwiłoby późniejsze odzyskanie atrybutów pamięci.

Zatem, przynajmniej początkowo, pamięć zostaje zakodowana jako połączenia między hipokampem a korą, a nie bezpośrednio pomiędzy komórkami korowymi. Niektóre wspomnienia i wyuczone zachowania nigdy nie tracą swojej zależności od nienaruszonego hipokampu; jednakże niektóre z nich z czasem stają się odporne na uszkodzenia hipokampa,8 co sugeruje, że odpowiednie połączenia korowo-korowe, wystarczające do zastąpienia połączeń hipokampowo-korowych, rozwijają się z czasem i stają się dominujące.

Procesowi temu może również towarzyszyć wyodrębnianie struktury z pamięci do wiedzy „semantycznej” kory9–15, która na ogół przeżywa hipokamp. Chociaż przeprowadzono wiele badań nad dynamiką zachowania i ekspresji genów w tym procesie konsolidacji pamięci, niewiele było badań na poziomie kodowania komórkowego w sprawie natury i lokalizacji takich niezależnych od hipokampu reprezentacji pamięci w korze mózgowej.

Niedawne badania wykazały, że podczas przechodzenia przez sekwencję lokalizacji (rzeczywistych lub wirtualnych) neurony korowe, zwłaszcza w powierzchownej korze, rozwijają rzadkie, skorelowane z pozycją sekwencje aktywności neuronowej,16–19 podobnie jak w hipokampie.

U nienaruszonych myszy komórki skorelowane z pozycją pojawiają się w korze w ciągu kilku sesji w nowym wirtualnym „środowisku”, składającym się z pasa bieżni z dołączonymi „wskazówkami przestrzennymi”20, ale rozwijają się słabo u myszy ze zmianami w hipokampie grzbietowym. 16,17 Tutaj pokazujemy, że powierzchowne korowe reprezentacje wirtualnego środowiska wyuczonego przed operacją zostają zachowane po uszkodzeniu hipokampa, podobnie jak odpowiadająca im pamięć przestrzenna, podczas gdy te same myszy nie uczą się nowego pooperacyjnego środowiska ani nie reprezentują go jako komórki skorelowane z pozycją w powierzchownej korze.

WYNIKI

Dwufotonowe obrazowanie Ca2+ wykorzystano do rejestracji aktywności nerwowej u myszy podczas biegu z głową na pasach bieżni zawierających kilka wskazówek wzrokowo-dotykowych (ryc. 1; metody STAR) przed i po obustronnych uszkodzeniach hipokampa grzbietowego. Zwierzęta badano na tym samym „znajomym” pasie przed i po uszkodzeniu hipokampa (lub pozorowanych operacjach). „Nowe” pasy z różnymi zestawami wskazówek stosowano w okresach przedoperacyjnych i pooperacyjnych (uszkodzenie/pozorowane), po (ponownym) zapoznaniu się ze „znajomym” pasem. Śledziliśmy aktywność neuronów w trzech obszarach kory nowej: korze retrosplenialnej (RSC), wtórnej korze ruchowej i pierwotnej korze somatosensorycznej.

Uszkodzenie hipokampa powoduje amnezję następczą, ale nie wsteczną, w przypadku lokalizacji nagród w wirtualnych środowiskach przestrzennych

Każdy pas miał określoną wirtualną lokalizację, w której dostarczono nagrodę w postaci wody (rysunek 1C). Przed operacją obie grupy wykazywały podobne zachowanie zarówno w znanym, jak i nowym środowisku. Rysunek S2. Pooperacyjne prędkości biegu w znanych i nowych pasach były również podobne w grupach pozorowanych i ze zmianami. Po operacji grupy pozorowane i ze zmianami wykonywały porównywalną liczbę prób lizania układu nagrody przez cały czas trwania eksperymentu (Rysunek 2- lewy); jednakże rozmieszczenie lizawek w nowym środowisku różniło się istotnie pomiędzy grupami.

W przypadku grupy pozorowanej przeważająca część lizań była skoncentrowana w miejscu nagrody, zarówno w znanym, jak i nowym środowisku. To samo zachowanie wykazywała grupa ze zmianami w znanym środowisku; jednakże w nowym środowisku uszkodzone myszy lizały głównie poza strefą nagrody. (Rysunek 2-środkowy, prawy). W ten sposób pamięć przedoperacyjna została zachowana, ale zdolność uczenia się w nowym środowisku została poważnie upośledzona. Jest to cecha charakterystyczna koncepcji konsolidacji pamięci.

Neurony korowe zachowują kodowanie znanego środowiska przestrzennego po hipokampie, ale kodowanie nowego środowiska nie tworzy się

Zastosowaliśmy stosunkowo liberalne kryteria (patrz Metody STAR), aby sklasyfikować komórki jako „selektywne przestrzennie” i zdefiniować „pola miejsca” komórek. Ogólnie rzecz biorąc, nie było różnic między grupami (uszkodzenie vs pozorowane) ani między środowiskiem (F, N) w żadnym z trzech obszarów kory pod względem odsetka komórek, które przekroczyły próg selektywności, który ogółem wynosił około 40% przy tych liberalnych kryteriach (Rysunek S3A). Jednakże w nowym środowisku komórki spełniające kryteria selektywności były ogólnie znacznie mniej selektywne przestrzennie i wspólnie tworzyły mniej jednolitą populację kodującą pas w grupie zmian (ryc. 3A i 3B). Różnica ta była związana ze wzrostem proporcji komórek grup zmian z wieloma polami miejscami zamiast z jednym (ryc. S3B).

Pojawienie się kodowania pozycji korowej warstwy II–III określono ilościowo za pomocą miar zawartości informacji przestrzennej w przeliczeniu na neuron21 dla wszystkich komórek, które przekroczyły próg selektywności przestrzennej. Spodziewano się pewnego zapomnienia w 30-dniowej przerwie między ostatnią sesją przed zmianą chorobową/pozorowaną a pierwszą sesją pooperacyjną. W rzeczywistości doszło do zależnej od czasu degradacji (zapominania) treści informacji przestrzennej w znanym środowisku ; jednakże znajoma pamięć odzyskiwała się podczas sesji zarówno u myszy ze zmianami, jak i u myszy pozorowanych, bez różnic między grupami (Rysunek 3C u góry). Myszy pozorowane wykazywały normalne nabywanie korowej reprezentacji nowego środowiska (pas 3); jednakże grupa uszkodzeń wykazywała bardzo mało informacji przestrzennych w nowym środowisku w RSC (ryc. 3C na dole). We wszystkich obszarach kory zawartość informacji przestrzennej neuronów była podobna w przypadku pozorowanego i zmienionego środowiska w znanym środowisku, podczas gdy ilość ta była znacznie zmniejszona w grupie uszkodzeń w nowym środowisku (ryc. 3D i 3E).

Określiliśmy ilościowo niezawodność kodowania przestrzennego na poziomie populacji, obliczając błąd dekodowania okrążenie po okrążeniu, stosując dekoder Bayesa (metody STAR). W fazie pooperacyjnej rozkład zdekodowanej pozycji w funkcji lokalizacji zwierzęcia wskazuje, że dekoder z grupy zmian w nowym środowisku daje mniej dokładne oszacowanie pozycji (ryc. 4A). Nastąpił znaczny wzrost (2 x) błędów dekodowania w nowym środowisku we wszystkich trzech obszarach kory, w grupie ze zmianami, ale nie w grupie pozorowanej, ani żaden w znanym środowisku w żadnej grupie (Rysunek 4B).

DYSKUSJA

Ogólnie rzecz biorąc, podczas gdy zmiany w hipokampie poważnie zaburzają pojawianie się skorelowanych z pozycją komórek reprezentujących nowe środowisko wirtualne i podobnie zaburzają uczenie się przestrzenne w tym nowym kontekście, oszczędzono prezentację znanego środowiska odsłoniętego przed operacją i pamięć o lokalizacji nagrody w tym środowisku . Przestrzennie selektywna aktywność odpalania uszkodzonych myszy w nowym środowisku była ukierunkowana na odpalanie w pobliżu wyraźnych sygnałów. Nieselektywne lub słabo selektywne odpowiedzi na istotne sygnały były powszechne u uszkodzonych myszy w nowych środowiskach, powodując powstanie wielu pól „miejsc”, co mogło przyczynić się do większego błędu dekodowania przestrzennego.

Same zmiany uszkodziły 50% lub więcej hipokampa grzbietowego, ale pozostawiły hipokamp brzuszny w dużej mierze nienaruszony (ryc. 1E). Nie można zatem stwierdzić, że zachowana pamięć była całkowicie niezależna od odpływu hipokampa22, chociaż wiele badań pokazuje, że to hipokamp grzbietowy jest w przeważającej mierze niezbędny do uczenia się przestrzennego23,24 i którego moc wyjściowa koncentruje się na korze retrosplenialnej.25–28 W obu grupach zaobserwowano spadek w dostrojeniu przestrzennym do znanego środowiska podczas 30-dniowego odstępu pomiędzy ostatnią próbą przed zmianą/pozorowaną a pierwszą po zmianie/pozorowaną próbą. Nie wiadomo, czy było to spowodowane samym upływem czasu, czy zabiegiem chirurgicznym (np. znieczuleniem). Jednakże ta dynamika wskazuje, że pewne ślady poprzedniego kodowania zostały zachowane, podczas gdy nowe kodowanie zostało zaburzone. Jednym z możliwych wyjaśnień spadku dostrojenia przestrzennego w ciągu 30 dni jest to, że nienaruszony hipokamp umożliwia tworzenie nowych połączeń synaptycznych w korze mózgowej, które z czasem mogą tracić skuteczność, ale fizycznie utrzymują się, dzięki czemu mogą zostać ponownie wzmocnione po ponownej ekspozycji na działanie znajome środowisko.

Innym wyjaśnieniem jest to, że kodowanie jest zachowane w głębszych warstwach kory mózgowej, które nie były dostępne do obrazowania w tych badaniach. Powszechnie wiadomo, że ponowna ekspozycja na znane środowisko nie jest konieczna do wystąpienia procesów konsolidacji pamięci; mogą się one również zdarzyć w okresach „offline”, takich jak sen wolnofalowy.4 Jednakże odzyskanie skonsolidowanych procesów może wymagać ponownego naświetlenia w przypadku braku hipokampa.

Ogólnie rzecz biorąc, niniejsze wyniki pokazują, że nienaruszony hipokamp umożliwia powierzchownej korze rozwój rzadkich, selektywnych reprezentacji doświadczenia przebywania w określonych miejscach w określonym kontekście behawioralnym i sensorycznym oraz że te wyłaniające się kody nerwowe utrzymują się po uszkodzeniu hipokampa w stopniu wystarczającym, aby zapobiec nowemu uczeniu się w poziomie neuronalnym i behawioralnym w podobnych warunkach. Odkrycia te zapewniają nowe ramy do badania komórkowych i molekularnych podstaw pamięci długotrwałej, niezależnej od hipokampa.

Ograniczenia badania

Biorąc pod uwagę ograniczoną wielkość próbki, tylko jeden obszar korowy z trzech interesujących obszarów można było ocenić z rozsądną mocą statystyczną podczas faz eksperymentów narażenia/ponownej ekspozycji, w kolejnych dniach rejestracji. Wybraliśmy korę retrosplenialną ze względu na fakt, że otrzymuje ona bezpośrednie projekcje z hipokampa grzbietowego.25–28 Zaobserwowaliśmy, że po uszkodzeniu hipokampa neuronalna reprezentacja znajomego środowiska w korze retrosplenialnej jest stopniowo przywracana w wyniku powtarzanych ponownych ekspozycji. Nie wyklucza to jednak faktu, że inne obszary korowe mogą regenerować się szybciej. Co więcej, wymiany między rozproszonymi regionami mogą przyczyniać się do tego ożywienia, czego nie można określić, chyba że zostaną jednocześnie ocenione dwa lub więcej regionów. Pozostaje zatem określenie, w jaki sposób ślady pamięci przestrzennej są zachowywane i „ponownie wzmacniane” w różnych obszarach kory mózgowej po utracie hipokampa.

PODZIĘKOWANIE

Dziękujemy dr M. Mohajerani za nadzór/administrowanie mikroskopem i obiektami do hodowli zwierząt, Jennifer Tarnowsky za wsparcie logistyczne, Valerie Lapointe i Karim Ali za wsparcie techniczne oraz WestGrid i Compute Canada za wsparcie IT. BLM potwierdza finansowanie z programu grantowego NIH Research ProjectGrant Program (R01) [nr. NS121764], Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności (DARPA) [nr. HR0011-18-2-0021], Kanadyjska Rada ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC) [nr. 1631465] oraz Kanadyjskie Instytuty Badań nad Zdrowiem (CIHR) [nr. PJT 156040]. HC jest wspierany przez kanadyjskie stypendia dla absolwentów programu doktoranckiego (NSERC CGS-D).

AUTORSKIE WKŁADY

IME i BLM opracowały koncepcję eksperymentu. IME i ARN przeprowadziły eksperymenty i zebrały dane. IME, HC i BLM przeanalizowały i zinterpretowały dane. IME, HC i BLM napisali manuskrypt, który wszyscy autorzy pomogli w poprawieniu.

DEKLARACJA ZAINTERESOWAŃ

Autorzy deklarują, że nie mają konkurencyjnych interesów.

BIBLIOGRAFIA

1. Scoville, WB i Milner, B. (1957). Utrata pamięci świeżej po obustronnych uszkodzeniach hipokampa. J. Neurol. Neurosurg.Psychiatria 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 i Knight, RT (2002). Wpływ rozległego uszkodzenia płata skroniowego lub łagodnego niedotlenienia na wspomnienia i zażyłość. Nat.Neurosci. 5, 1236–1241.https://doi.org/10.1038/nn961.

3. Schwindel, CD i McNaughton, BL (2011). Interakcje hipokamp-kora i dynamika reaktywacji śladów pamięciowych. Wałówka. Rozdzielczość mózgu 193, 163–177.https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53839-0.00011-9.

4. McNaughton, BL (2010). Hierarchie korowe, sen i wydobywanie wiedzy z pamięci. Artef. Intel. 174,205–214.https://doi.org/10.1016/j.artint.2009.11.013.

5. Teyler, TJ i DiScenna, P. (1986). Teoria indeksowania pamięci hipokampa. Zachowanie. Neurologia. 100, 147–154. https://doi.org/10.1037/0735-7044.100.2.147.6. Teyler, TJ i Rudy, JW (2007). Teoria indeksowania hipokampa i pamięć epizodyczna: aktualizacja indeksu. Hipokamp17, 1158–1169.https://doi.org/10.1002/hipo.20350.

7. Leutgeb, S., Leutgeb, JK, Barnes, CA, Moser, EI, McNaughton, BL i Moser, M.-B. (2005). Niezależne kody pamięci przestrzennej i epizodycznej w zespołach hipokampalnych neuronów. Nauka 309, 619–623.https://doi.org/10.1126/science.1114037.

8. Sutherland, RJ i Lehmann, H. (2011). Alternatywne koncepcje konsolidacji pamięci i roli hipokampa na poziomie systemowym u gryzoni. Curr. Opinia. Neurobiol. 21, 446–451.https://doi.org/10.1016/j.conb.2011.04.007.

9. Frankland, PW i Bontempi, B. (2005). Organizacja wspomnień niedawnych i odległych.Nat. Ks. Neurosci. 6, 119–130. https://doi.org/10.1038/nrn1607.10. Marr, D. (1970). Teoria kory mózgowej. Proc. R. Soc. Londyn. B Biol. Nauka. 176,161–234.

For more information:1950477648nn@gmail.com