Optogenetyczna inaktywacja przegrody przyśrodkowej upośledza tworzenie długoterminowej pamięci rozpoznawania obiektów

Abstrakcyjny

Theta jest jedną z najważniejszych synchronicznych oscylacji zewnątrzkomórkowych mózgu ssaków. Hipokampaltheta opiera się na nienaruszonej przegrodzie przyśrodkowej (MS) i była konsekwentnie rejestrowana podczas fazy treningu niektórych paradygmatów uczenia się, co sugeruje, że może mieć to związek z przetwarzaniem pamięci długotrwałej zależnym od hipokampa.

Przetwarzanie pamięci jest ważną funkcją ludzkiego mózgu. Obejmuje takie procesy, jak identyfikacja, kodowanie, przechowywanie i odzyskiwanie informacji. Jest to ważna umiejętność w naszym codziennym życiu, która jest ściśle powiązana z nauką, pracą, interakcjami społecznymi i innymi aspektami. Pamięć odnosi się do zdolności ludzkiego mózgu do przechowywania informacji, która określa naszą zdolność do uczenia się na podstawie przeszłych doświadczeń i stosowania ich w przyszłym życiu.

Przetwarzanie pamięci jest podstawą poprawy pamięci. Dzięki wydajnym możliwościom przetwarzania pamięci możemy lepiej kodować, przechowywać i odzyskiwać informacje, poprawiając w ten sposób pamięć. Kiedy musimy zapamiętać informację, najpierw musimy ją zidentyfikować i zakodować, a następnie zapisać zakodowaną informację w banku pamięci długotrwałej mózgu. Wreszcie, gdy będziemy musieli skorzystać z tych informacji, możemy je odzyskać poprzez odzyskiwanie. Jeśli procesy te zostaną przeprowadzone sprawnie, nasza pamięć w naturalny sposób ulegnie poprawie.

Oczywiście zdolności przetwarzania pamięci nie da się osiągnąć z dnia na dzień i należy ją z biegiem czasu udoskonalać poprzez skumulowane szkolenie. Na przykład, jeśli chodzi o identyfikację informacji, możemy poprawić naszą wrażliwość na informacje poprzez ciągłe ćwiczenia, aby przeprowadzić wstępne rozpoznanie; jeśli chodzi o kodowanie i przechowywanie informacji, możemy poprawić efekty pamięciowe, stosując metody takie jak pałace pamięci; Jeśli chodzi o wyszukiwanie informacji, możemy poprawić szybkość i dokładność wyszukiwania poprzez powtarzanie ćwiczeń.

Krótko mówiąc, przetwarzanie pamięci i pamięć są nierozłączne. Poprzez szkolenia i ciągłe gromadzenie doświadczenia możemy poprawić naszą zdolność przetwarzania pamięci, poprawiając w ten sposób naszą pamięć i czyniąc nasze życie bardziej kolorowym. Widać, że musimy poprawić naszą pamięć. Cistanche desericola może znacznie poprawić pamięć, ponieważ Cistanche desericola to tradycyjny chiński materiał leczniczy o wielu unikalnych efektach, 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 pamięć krótkotrwałą, jak ją ulepszyć

Pamięć rozpoznawania obiektów (ORM) pozwala zwierzętom identyfikować znane przedmioty i jest niezbędna do zapamiętywania faktów i wydarzeń. U gryzoni długotrwałe tworzenie ORM wymaga funkcjonalnego hipokampa, ale udział MS w tym procesie pozostaje kontrowersyjny. Odkryliśmy, że szkolenie dorosłych samców szczurów rasy Wistar w długoterminowym zadaniu uczenia się indukującym ORM, obejmującym ekspozycję na dwa różne, ale behawioralnie równoważne nowe obiekty bodźcowe, zwiększało moc hipokampa, a tłumienie theta poprzez optogenetyczną inaktywację stwardnienia rozsianego powodowało amnezję.

Co ważne, amnezja była specyficzna dla obiektu, który badały zwierzęta, gdy stwardnienie rozsiane było inaktywowane. Podsumowując, nasze wyniki wskazują, że stwardnienie rozsiane jest niezbędne do długotrwałego tworzenia ORM i sugerują, że aktywność theta w hipokampie jest przyczynowo powiązana z tym procesem.

Słowa kluczowe:

Rytm theta, amnezja, hipokamp, ​​oscylacje mózgu i pamięć długoterminowa.

Tekst główny

Oscylacje neuronowe to powtarzające się rytmiczne wzorce aktywności elektrycznej, które pojawiają się spontanicznie lub w odpowiedzi na bodźce. Teta to powolna (5–10 Hz) neuronoscylacja występująca głównie w hipokampie, szczególnie w obszarze CA1, gdzie jest bardziej regularna i wykazuje maksymalną amplitudę [1]. Hipokampaltheta jest wrażliwa na uszkodzenia przegrody przyśrodkowej (MS) [2] i chociaż jej korelaty behawioralne nie zostały jeszcze w pełni wyjaśnione, obszerne dowody wskazują, że wspomaga ona uczenie się [3–5].

Rzeczywiście, theta ułatwia długotrwałe wzmocnienie hipokampa (LTP) [6], główny model komórkowy pamięci długotrwałej zależnej od hipokampa. Pamięć rozpoznawania obiektów (ORM) umożliwia zwierzętom określenie znajomości przedmiotów i jest niezbędna do zapamiętywania wydarzeń i planowania działań. U gryzoni trening w paradygmacie uczenia się opartym na ORM aktywuje kilka szlaków sygnałowych związanych z plastycznością i indukuje wewnątrzgrzbietowy CA1 LTP, co wskazuje, że hipokamp jest niezbędny do długoterminowego tworzenia ORM [7–9]. Z drugiej strony udział państw członkowskich w tym procesie pozostaje kontrowersyjny. Na przykład zmiany w przegrodzie, które upośledzają pamięć przestrzenną i roboczą, nie wpływają na długoterminową ORM [10, 11], ale stymulacja stwardnienia rozsianego osłabia długoterminowy deficyt ORM obserwowany u myszy z padaczką poprzez zwiększenie aktywności theta w hipokampie [12].

Dlatego postanowiliśmy przeanalizować, czy regulowane przez MS hipokampowe teta jest rzeczywiście powiązane z długoterminową retencją ORM. Po pierwsze, ustaliliśmy, czy długoterminowe tworzenie ORM wpływa na teta hipokampa. Aby to zrobić, wszczepiliśmy układy elektrod w grzbietowy obszar CA1 dorosłych samców szczurów Wistar (w wieku 3 miesięcy, 300–350 g). Szkoliliśmy się w zakresie nowatorskiego paradygmatu rozpoznawania obiektów, długoterminowego zadania wywołującego ORM, opartego na naturalnej preferencji gryzoni do nowości, która obejmuje ekspozycję na dwa różne, ale behawioralnie równoważne nowe obiekty A i Bin, znaną arenę otwartego pola dla {{10} }min (ryc. 1a) [13]. Do śledzenia, rejestrowania i analizowania pozycji i zachowania zwierząt wykorzystano cyfrową kamerę wideo umieszczoną nad areną, za pomocą oprogramowania systemu ObjectScan (szczegóły w pliku dodatkowym 1).

Zdarzenia eksploracyjne zdefiniowano jako okresy dłuższe lub równe {{0}}.5-s, podczas których zwierzęta wąchały i/lub dotykały obiektów bodźcowych pyskiem i/lub przednimi łapami. Wszystkie inne epoki stwardnienia większe lub równe 0,5 s uznano za zdarzenia między eksploracjami i spośród nich dalej rozważaliśmy tylko te, podczas których średnia prędkość poruszania się była mniejsza lub równa średniej prędkości poruszania się wszystkich zdarzeń eksploracyjnych. Wydarzenia trwające< 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). 

Aktywność eksploracyjną obserwowano przez całą sesję treningową (ryc. 1b). Aktywność Teta była również widoczna podczas tej sesji (ryc. 1c), ale siła theta, która przewiduje uczenie się [14], była szczególnie wysoka podczas eksploracji obiektów (ryc. 1d, e ). Rzeczywiście, analiza widm mocy wykazała, że ​​thetapower w epokach eksploracji obiektów była o 36±7% wyższa niż w okresach między eksploracjami (ryc. 1f, g;F (2, 10)=15.55; P{{12} }.0009. Obj A vs IE, P=0.002, ObjB vs IE, P=0.001 w teście porównań wielokrotnych Bonferroniego po jednoczynnikowej ANOVA RM).

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 za thetapower; Obj A vs Obj B, P=0.13 dla częstotliwości szczytowej w teście wielokrotnych porównań Bonferroniego po jednokierunkowej ANOVA RM). Dzień po treningu oceniano długoterminową retencję ORM poprzez ponowne wystawienie zwierząt na działanie znanego obiektu A i nowego obiektu C. Zgodnie z oczekiwaniami, zwierzęta w teście preferowały nowy obiekt (TT; rys. 1h; t (5){ {9}},95, P=0,0009 w teście t jednej próbki ze średnią teoretyczną=50).

Normalne funkcjonowanie stwardnienia rozsianego jest niezbędne dla aktywności hipokampa theta [2]. Inaktywację stwardnienia rozsianego stosowano już wcześniej jako narzędzie do zniesienia theta hipokampa podczas uczenia się [15]. Wcześniej wykazaliśmy, że stymulacja MS światłem żółtym (565 nm) szczurów wykazujących ekspresję czułego na światło żółte optycznego tłumika neuronowego archaerhodopsyny T (ArchT; szczegóły techniczne można znaleźć w pliku dodatkowym 1) [16] szybko i odwracalnie anuluje theta w grzbietowym CA1 [17] . Dlatego też, aby przeanalizować udział MS w długoterminowym tworzeniu ORM i w celu dalszej oceny, czy teta hipokampa jest rzeczywiście powiązana z tym procesem, szczury wykazujące ekspresję ArchT w stwardnieniu rozsianym szkolono w zakresie nowego paradygmatu rozpoznawania obiektów przy użyciu obiektów bodźcowych A i B oraz żółtego światło zostało dostarczone do MS właśnie podczas eksploracji obiektu A (rys. 1i).

Procedura ta nie miała wpływu na aktywność lokomotoryczną (ryc. 1j, k; t (39)=1.29, P=0.20 dla LigthOFF vs LightON A w niesparowanym teście t), czas eksploracji obiektu (ryc. , 1l; t (39)=1.33, P=0.18 forLigthOFF vs LightON A w niesparowanym teście t) lub liczba zdarzeń eksploracyjnych (ryc. 1l; t (39){ {16}}.93, P=0.06 dla LigthOFF vs LightON A w niesparowanym teście t). Długoterminowy ORM oceniano podczas sesji testów retencji w obecności znanego obiektu A lub znanego obiektu B wraz z nowym obiektem C, przeprowadzanej 24-godziny po szkoleniu. Odkryliśmy, że niestymulowane zwierzęta wykazujące ekspresję ArchT odróżniają obiekty A i B od nowego obiektu C (ryc. 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).

Amplituda theta hipokampa zależy od prędkości poruszania się [18], ale jest mało prawdopodobne, aby zmiany tej zmiennej mogły wyjaśniać wzrost mocy theta obserwowany podczas treningu, ponieważ porównywaliśmy jedynie zdarzenia eksploracyjne ze zdarzeniami międzyeksploracyjnymi dopasowanymi dla podobnych prędkości. Jest również mało prawdopodobne, że amnezja wywołana inaktywacją stwardnienia rozsianego była spowodowana upośledzoną pamięcią, słabymi wynikami treningu, nadekspresją konstruktu optogenetycznego lub szkodliwym efektem stymulacji światłem jako takiej, ponieważ była specyficzna dla obiektu, który badały zwierzęta, gdy zastosowano supresję optogenetyczną i dostarczanie światła nie miało wpływu na eksplorację obiektu. Stwardnienie rozsiane rzutuje nie tylko na hipokamp, ​​ale także na przednią korę obręczy (ACC) [19]. Dlatego też amnezja wywołana inaktywacją MS może być potencjalnie spowodowana upośledzeniem tej interakcji.

Jednakże ACC nie bierze udziału w tworzeniu długoterminowego ORM [20], a hamowanie projekcji MS-ACC nie wpływa na tę formę pamięci deklaratywnej [21]. Dlatego jest nieprawdopodobne, aby zakłócenie funkcji ACC mogło tłumaczyć nasze wyniki, które prawdopodobnie wynikają z hamowania theta hipokampa. Pogląd, że hipokamp jest niezbędny do przetwarzania ORM, uzyskał szerokie poparcie eksperymentalne, ale nie został jednomyślnie zaakceptowany [22]. Na przykład, podanie muscimomulatu do hipokampa przed treningiem wpływa na ORM tylko wtedy, gdy przerwa między treningami jest dłuższa niż 10 minut [23], co sugeruje, że hipokamp nie jest potrzebny do krótkotrwałego ORM. Przypomnijmy, że inne obszary mózgu przejmują rolę hipokampu w krótkotrwałych terminowe przetwarzanie ORM, gdy pozostaje wyłączone przez długi czas, lub że krótkoterminowe i długoterminowe ORM obejmują niezależne mechanizmy, jak to opisano dla innych typów pamięci [24].

W tym względzie nasze dane wskazują, że hipokamp jest kluczem do długoterminowego tworzenia ORM i dodatkowo potwierdzają tezę, że dwie długoterminowe pamięci obiektów nabyte podczas szkolenia w zakresie zadania rozpoznawania nowych obiektów są niezależne [13]. Co więcej, fakt, że zwierzęta cierpiały na amnezję jedynie w stosunku do obiektu, który badały, gdy stwardnienie rozsiane było inaktywowane, silnie wskazuje, że theta nie jest tylko produktem ubocznym plastyczności neuronalnej wywołanej uczeniem się, ale jest funkcjonalnie powiązane z obliczeniami zachodzącymi w hipokampie podczas długotrwałego tworzenia ORM.

Bibliografia

1. Drgania Buzsákiego G. Theta w hipokampie. Neuron.2002;33(3):325–40.https://doi.org/10.1016/s0896-6273(02)00586-x.

2. Yoder RM, Pang KC. Udział GABAergicznych i cholinergicznych neuronów przegrody środkowej w rytmie theta hipokampa. Hipokamp.2005;15(3):381–92.https://doi.org/10.1002/hipo.20062.

3. Seager MA, Johnson LD, Chabot ES, Asaka Y, Berry SD. Oscylacyjne stany mózgu i uczenie się: wpływ treningu hipokampowego warunkowego theta. Proc Natl Acad Sci USA. 2002;99(3):1616–20. https://doi.org/10.1073/pnas.032662099 (Epub, 29 stycznia 2002).

4. Düzel E, Penny WD, Burgess N. Oscylacje mózgu i pamięć. Curr OpinNeurobiol. 2010;20(2):143–9. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.01.004 (Epub, 22 lutego 2010 r.).

5. Berry SD, Seager MA. Oscylacje theta hipokampa i warunkowanie klasyczne. Neurobiol Dowiedz się Mem. 2001;76(3):298–313.https://doi.org/10.1006/nlme.2001.4025.

6. Huerta PT, Lisman JE. Plastyczność synaptyczna podczas cholinergicznych oscylacji częstotliwości theta in vitro. Hipokamp. 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. Konsolidacja pamięci rozpoznawania obiektów wymaga zależnej od kinazy HRI fosforylacji eIF2 w hipokampie. Hipokam-pus. 2013;23(6):431–6. https://doi.org/10.1002/hipo.22113 (Epub, 18 marca 2013 r.).

8. Myskiw JC, Rossato JI, Bevilaqua LR, Medina JH, Izquierdo I, CammarotaM. O udziale mTOR w pamięci rozpoznawczej. NeurobiolLearn Mem. 2008;89(3):338–51. https://doi.org/10.1016/j.nlm.2007.10.002 (Epub, 26 listopada 2007).

9. Clarke JR, Cammarota M, Gruart A, Izquierdo I, Delgado-García JM. Modyfikacje plastyczne wywołane przetwarzaniem pamięci rozpoznawania obiektów. ProcNatl Acad Sci USA. 2010;107(6):2652–7. https://doi.org/10.1073/pnas.0915059107 (Epub, 25 stycznia 2010).

10. Kornecook TJ, Kippin TE, Pinel JP. Uszkodzenie podstawne przodomózgowia i rozpoznawanie obiektów u szczurów. Zachowaj mózg Res. 1999;98(1):67–76.

For more information:1950477648nn@gmail.com