Optogenetičko kodiranje frekvencije hipokampalnih theta oscilacija odvaja dohvaćanje radne memorije od hipokampalnih prostorno-vremenskih kodova 2. dio

Kombinacija optogenetske stimulacije MS-a i snimanja hipokampalnog kalcija

Kako bismo proučili učinke theta manipulacija na hipokampalne prostorne i vremenske kodove, kombinirali smo MS optogenetsku stimulaciju sa slikom kalcija u CA1. Ova eksperimentalna paradigma pokreće dva potencijalno važna pitanja: implantati leće GRIN uključuju oštećenje tkiva koje bi moglo promijeniti fiziološko stanje theta oscilacija, a spektar valne duljine ekscitacijske LED koja se koristi za pobuđivanje GCaMP6f mogao bi se potencijalno preklapati s spektrom opsina koji se nalazi na završnim vlaknima GABAergičkih MS vlakana u hipokampus.

Hipokampus je vrlo važna struktura u mozgu. Uglavnom je odgovoran za pohranjivanje i obradu memorijskih informacija. Kao što svi znamo, pamćenje je važan dio ljudskih intelektualnih aktivnosti i važan način za našu komunikaciju i interakciju s okolinom koja nas okružuje. Stoga je funkcija hipokampusa ključna za naše živote.

Hipokampalni prostor je način na koji se opisuje kako se prostorne informacije obrađuju u našem mozgu. Odnosi se na aktivno područje skupine neurona u našem mozgu koji obrađuju informacije o prostoru. To se područje naziva parahipokampalno područje i usko je povezano s morskim konjićem. Istraživanja pokazuju da područje u blizini hipokampusa obrađuje informacije vezane uz prostor i pamćenje te je ključni dio našeg procesa pamćenja.

Konkretno, obrada prostornih informacija u hipokampusu uglavnom uključuje dva aspekta. Prvi aspekt je naš osjećaj za smjer i sposobnost navigacije. Dok hodamo, hipokampus bilježi naše korake i položaj, održavajući našu orijentaciju u prostoru. Ako je naš hipokampus oštećen, to može uzrokovati probleme kao što je dezorijentiranost ili nemogućnost pronalaženja puta kući.

Drugi aspekt je sposobnost pamćenja. Ljudi koriste prostorne informacije koje daje hipokampus kako bi lakše zapamtili. Ako nešto doživimo na određenom mjestu, hipokampus će pohraniti tu informaciju, a o tim iskustvima ili ljudima možemo učiti kroz prisjećanje.

Učenjem neprestano jačamo svoje sposobnosti pamćenja, a hipokampus u tom procesu igra presudnu ulogu. Zbog važnosti hipokampusa moramo obratiti pozornost na njegovo zdravlje i zaštititi ga nekim metodama. Sudoku, trčanje, učenje novih vještina itd. mogu poboljšati naše pamćenje i zaštititi zdravlje našeg hipokampusa.

Stoga nam prehrana, tjelovježba i održavanje dobrog sna mogu pomoći u zaštiti hipokampusa i poboljšanju sposobnosti pamćenja. Kada imamo bistar um i snažno pamćenje, možemo bolje razumjeti svijet i stvoriti bolji život. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje. Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer Cistanche deserticola također može regulirati ravnotežu neurotransmitera, poput povećanja razine acetilkolina i faktora rasta. Ove tvari su vrlo važne za pamćenje i učenje. Osim toga, meso također može poboljšati protok krvi i pospješiti opskrbu kisikom, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znajte dodatke za jačanje pamćenja

Kako bismo potvrdili jesu li implantati GRIN leće promijenili fiziologiju theta, prvo smo ugradili miševima GRIN leću u desni hipokampus i dvije elektrode u lijevi i desni hipokampus, te pronašli usporedive theta signale u obje hemisfere (Slika 3a). Usporedili smo ta oscilacije tijekom istraživanja otvorenog polja kod miševa s GRIN lećom i pričvršćenom LFP elektrodom, s miševima samo s elektrodama, i nismo pronašli značajne razlike između obje skupine (Slika 3b). Nismo pronašli nikakvu značajnu razliku između relativne theta snage u miševa kojima su implantirane GRIN leća i LFP elektroda (0.14 ± 0.007) naspram samo elektrode ( 0,154 ± 0,008; t-test, t54=1.060, p=0.29).

Iako je u prijašnjim izvješćima opisano da je kombinacija optogenetske stimulacije ChrimsonR-a u staničnim tijelima s prikazom GCaMP inneurona u blizini terminala moguća uz minimalno preslušavanje53, mi smo zatim pratili svaku potencijalnu aktivaciju opsina MS terminala u hipokampusu snimanjem CA1- LFP dok emitira pobudno svjetlo s našim miniskopom kroz leću GRIN. Nakon kalibracije izlazne snage svjetla miniskopa (Sl. 3c), nismo pronašli nikakav učinak pobudnog plavog svjetla miniskopa na endogenu theta snagu (1ANOVA, F(4,295)= 0.7729, p=0.5435 ; Slika 3d). Budući da je objavljeno da pobudno svjetlo miniskopa može inducirati laganu depolarizaciju terminala transficiranih s ChrimsonR53, potencijalno ometajući daljnju optogenetski induciranu depolarizaciju, sljedeći put smo primijenili MSoptogenetičke stimulacije tijekom snimanja s ~0.3mW /mm2 miniscope LED snage i bili su u mogućnosti značajno poremetiti ili ubrzati theta korištenjem kodirane stimulacije ili stimulacije od 8 Hz (Friedmanov test χ2=6.000,p=0.0278; Slika 3e) .

Poremećaj theta ritmova modulira mali dio CA1 stanica

Zatim smo izveli fazne (5 s UKLJUČENO, 5 s ISKLJUČENO) optogenetske stimulacije MS dok smo snimali CA1 piramidalne stanice dok su miševi slobodno istraživali otvoreno polje (Slika 4a). Otkrili smo da je dio snimljenih stanica bio dosljedno uzbuđen u ovim uvjetima, dok su druge bile inhibirane (Slika 4b; vidi Metode). Aktivnost piramidalnih stanica tijekom stimulacija bila je ukupno niža u usporedbi s osnovnom vrijednošću, za obje kodirane stimulacije tijekom trčanja (Pearsonova korelacija, R2=0.567, p Manje od ili jednako 0.0 0{{20}}1) i razdoblja odmora (R2=0.521, p Manje od ili jednako 0,0001), kao i za stimulaciju od 8 Hz (R{{ 14}}.6, p Manje ili jednako 0,0001 za razdoblja odmora; R2=0.632, p Manje od ili jednako 0,0001 za razdoblja izvođenja; n=1849 ćelija, N=5 miševi; slika 4c). Sveukupno, ~6,42 ± 0,52% ukupnih stanica bilo je značajno modulirano kodiranim optogenetskim stimulacijama (slika 4d). Među tim moduliranim stanicama, 50,56 ± 6,38% bilo je inhibirano dok je 49,43 ± 6,38% bilo pobuđeno (n=1849 stanica, N=5miševi; slika 4e).

Zatim smo analizirali učinke optogenetske stimulacije na prostorno ugađanje neurona hipokampusa dok su miševi slobodno istraživali otvoreno polje. U tu smo svrhu izračunali mape stope aktivnosti koristeći epohu unutar ili izvan razdoblja stimulacije (za osnovno stanje, uključili smo epohe koje su slijedile isti obrazac 5 s ON, 5 s OFF koji se koristi za stvarnu stimulaciju; slika 4f). Stabilnost je zatim izračunata kao korelacija između mapa stopa za početnu vrijednost i epohu stimulacije. Unatoč gore navedenim promjenama u ukupnoj aktivnosti, mape brzine nisu pokazale promjenu prostorne stabilnosti ni za stimulaciju kodiranja ni za 8 Hz (Kruskal–Wallis H3=3.5, p=0.1773; Slika 4g).

MS optogenetska stimulacija mijenja ponašanje, ali ne i prostorno-vremenske kodove

Kako bismo procijenili učinke theta poremećaja na vremenske i prostorne kodove, pratili smo aktivnost CA1 piramidalnog neurona na 3-ton linearnoj stazi (Slika 5a). Ovdje koristimo jednu od glavnih prednosti snimanja kalcijem, a to je mogućnost registracije snimljenih stanica tijekom nekoliko dana dok izvodimo kodirane stimulacije ili stimulacije od 8 Hz odabranim danima (slike 5b, c, donja ploča). Usmjerili smo našu analizu na parove dana s istom količinom vremena (48 h) između testiranja (Sl. 5c, gornja ploča). Za svako stanje, procijenili smo udio ukupnih stanica koje značajno kodiraju jednu ili nekoliko varijabli i nismo pronašli učinak niti 8 Hz niti kodirane stimulacije na prostorno i vremensko kodiranje (RM-ANOVA; F2=0).807, p {{11 }}.453 za glavni učinak stimulacija; F6=1.283, p=0.285 za interakciju između stimulacije i kodirane varijable, n=5 miševa; Slika 5d).

Iako se udio stanica nije promijenio pod uvjetima stimulacije, procijenili smo učinak MS stimulacije na stabilnost krivulja ugađanja stanica moduliranih mjestom, vremenom i udaljenošću. U tu svrhu, pratili smo neurone kroz dane (Slika 5c; vidi Metode) i izračunali stabilnost polja mjesta i vremena kao korelaciju u paru između polja kroz 48 h. Budući da je poznato da CA1 pokazuje istaknuto remapiranje tijekom dana, također smo upotrijebili par dana bez stimulacije za izračunavanje osnovnog rezultata stabilnosti koji će se koristiti kao referenca (Slika 5e-g). Nismo pronašli promjene u stabilnosti tijekom MS stimulacije za stanice modulirane na mjestu (1ANOVA, F2=1.907, p=0.1511; n=205 parova stanica prikupljenih iz N=5 nezavisni miševi; slika 5h), vremenski modulirane stanice (1ANOVA, F2=2.201, p=0.113; n=227 parova stanica skupljenih iz N=5neovisnih miševi; slika 5i) i stanice modulirane udaljenosti (1ANOVA,F2=0.6962, p=0.5024; n=64 parova stanica skupljenih iz N=5 neovisnih miševi; slika 5j). Također smo proširili istu analizu na konjunktivne neurone (tj. neurone koji mogu kodirati više od jedne varijable; dopunska slika 5a–f) i nismo pronašli učinke optogenetskih stimulacija na stabilnost konjunktivnog prostornog (1ANOVA, F2=3.731, p=0.0661;N=4 nezavisni miševi; Dodatna slika 5g), vremenski (1ANOVA,F2=1.993, p=0.8228; N {{47 }} neovisnih miševa; Dopunska slika 5h) i stanica udaljenosti (1ANOVA, F2=0.469, p=0.6400; N=4 neovisnih miševa; Dopunska slika 5i).

Zatim smo procijenili kvalitetu prostorno-vremenskih kodova koristeći anaivni Bayesov klasifikator za dekodiranje lokacije (Slika 6a, b), vremena (Slika 6cd) i prijeđene udaljenosti (Slika 6e, f), koristeći nasumične uzorke pokretanja (n {{3 }} uzoraka pokretanja, n=160 ćelija po uzorku). Dekodirane pogreške bile su sustavno manje od promiješanih surogata, uključujući tijekom 8 Hz ili kodirane stimulacije za lokaciju (2ANOVA,F5=2172, p Manje ili jednako 0.0001; n=50 početnih uzoraka jednog reprezentativnog miša; slika 6a), vrijeme (2ANOVA, F5=1292, p Manje od ili jednako 0,0001;n=50 početnih uzoraka jednog reprezentativnog miša; Slika 6c) i udaljenost (2ANOVA, F5=1964, p Manje ili jednako 0,0001; n=50 početnih uzoraka jednog reprezentativnog miša; Slika 6e) što ukazuje da su prostorno-vremenski kodovi sačuvani tijekom stimulacije. Za procjenu interindividualne važnosti prostorno-vremenskih kodova, Wez-bodovana pogreška dekodiranja korištenjem i stvarnih i izmiješanih rezultata (vidi Metode) za određeni dan, za svakog miša (Sl. 6b, d, f). MS optogenetska kontrola nije značajno mijenjaju kodiranje lokacije (1ANOVA, F2,11=2.2332, p=0.1432; N=5 miševa; veličina učinkaη2=0.29; slika 6b), vrijeme (1ANOVA, F2,11=0.4561, p=0.6452; N=5miševa; veličina učinka η2=0.07; slika 6d), ili udaljenost ( 1ANOVA,F2,11=0.6102, p=0.5606; N=5 miševa; veličina učinka η2=0.09; slika 6f).

U biheviorističkoj paradigmi koja se koristi za analizu vremenske modulacije neuronske aktivnosti, miševi imaju raspored vode i trenirani da skupljaju nagrade. Na temelju ove pretpostavke kvantificirali smo broj vraćanja na prazno mjesto za nagrađivanje kao pogreške i izračunali postotak ispravnih pokušaja u odnosu na ukupni broj pokušaja kao zamjenu za izvedbu (Slika 6g). U tim smo uvjetima pronašli značajan učinak optogenetske stimulacije na izvedbu po danima (Friedmanov testχ2=6.000, p=0.0278), a posebno značajnu razliku u izvedbi između početnih (78,70 ± 2,45%) i kodirana stimulacija (44,44 ± 5,56%; višestruke usporedbe, p=0.0429; N=3 miševi; Slika 6h). U ovu analizu uključeni su samo miševi s najmanje 12 ciklusa. Zbog ograničenja ovog zadatka (nisko kognitivno opterećenje i mali broj testiranih miševa), sljedeći smo krenuli u procjenu učinka MS optogenetske stimulacije u standardiziranim zadacima pamćenja.

Prekid theta signala oštećuje prostorno prepoznavanje i vraćanje radne memorije

Kako bismo testirali ulogu theta signala u prostornom pamćenju, upotrijebili smo namjensku skupinu miševa kojima je ubrizgan ChrimsonR i implantirana optička vlakna u MS (Slika 7a, lijevi panel). Miševi su bili podvrgnuti zadatku prepoznavanja novog objekta (NPOR) (slika 7a, desna ploča). Kako bismo procijenili ulogu theta oscilacija u memorijskom kodiranju i dohvaćanju, Sl. 7|MS optogenetske stimulacije ometaju održavanje i pronalaženje, ali ne i kodiranje epizodnog i radnog pamćenja. a Miševima je implantirana fiberoptika u MS nakon transfekcije ChrimsonR (gore). Zatim su podvrgnuti novom zadatku prepoznavanja mjesta objekta (dolje, vidi Metode). b U ovom zadatku, i kodirane (crveno) i 8 Hz (plavo) podražaji tijekom pronalaženja, kao i 8 Hz (zeleno), ali ne i kodirani (žuti) podražaji tijekom kodiranja poremetili su performanse pamćenja (2ANOVA, F4,31=3). 283 za glavni učinak liječenja, p=0.0097; veličina učinka za glavni učinak skupine, η2p=0.306; N=12 miševa). c

Za daljnje ispitivanje učinka MS stimulacije na kodiranje, održavanje i pronalaženje memorije, miševi su trenirani u zadatku odgođenog nepodudaranja uzorka (DNMTS) u automatiziranom T-labirintu. d Miševi transficirani s ChrimsonR (crveno) ili YFP (crno) trenirani su (u odsutnosti stimulacije) da odaberu ispravnu, nepoklapajuću ruku sve dok učinak nije premašio kriterij od 0.8 porcija točnog izbora dnevno, za najmanje dva uzastopna dana (zelena traka; RM-ANOVA, F8=8.738,p Manje od ili jednako 0.0001 za glavni učinak dana treninga; upareni Tukey testovi višestruke usporedbe između grupa, p=0.420; N=17 miševa). e–g Izvedba tijekom stimulacije u različitim fazama zadatka za miševe kojima je ubrizgan ChrimonR (gore) ili YFP kontrole (dolje). Crveno sjenčanje označava stimulirana područja labirinta. e Prosječna dnevna izvedba pri izvođenju MS stimulacija samo tijekom kodiranja (RMANOVA, F11=2.197, p=0.547; N=17 miševa). f Prosječna dnevna izvedba pri izvođenju MS stimulacija samo tijekom razdoblja odgode od 10 s (RM-ANOVA, F11=3.483,p=0.0495; veličina učinka za glavni učinak liječenja, η2p {{ 25}}.109; N=17 miševa).g Prosječna dnevna izvedba pri izvođenju MS stimulacija tijekom retrievalonly (RM-ANOVA, F11=3.265, p=0.050; N { {33}} miševi).

Svi stupčasti i linijski dijagrami predstavljaju srednju vrijednost ± SEM najmanje tri neovisna eksperimenta. Članak https://doi.org/10.1038/s41467-023-35825-5Nature Communications|(2023) 14:410 10izveo je optogenetske stimulacije posebno tijekom faza uzorka i testa i izračunao indeks prepoznavanja (RI; vidi Metode). Prilikom stimulacije tijekom pronalaska, performanse pamćenja bile su značajno smanjene za oba kodirana (0.472 ± 0.048 RI, n {{10}} miševa) i 8 Hz stimulacije (0.435 ± {{40}}.057 RI, n=6 miševi) skupine, u usporedbi s YFP kontrolama koje su pokazale značajan porast u istraživanju objekata tijekom testiranja (0,61 ± 0,018 RI; 2ANOVA, F4,31=3.283 za glavni učinak liječenja, p=0.0097; veličina učinka za glavni učinak skupine, η2p=0.306; N {{30 }} miševi; slika 7b). S druge strane, kodirane stimulacije tijekom kodiranja nisu oslabile pamćenje u vrijeme ispitivanja (0,60 ± 0,034 RI, p=0.0157, n=6 miševi), ali stimulacija od 8 Hz tijekom kodiranja smanjila je performanse pamćenja na slučajne razine (0,39 ± 0,074 RI, p=0.8740, n=6 miševa).

Kako bi se ispitao učinak optogenetske kontrole MS-a na specifične faze funkcije radne memorije (kodiranje, održavanje i pronalaženje), miševi su transficirani ChrimsonR-om i implantirani s optičkim vlaknima u MS-u i obučeni za zadatak odgođenog nepodudaranja s uzorkom (DNMTS). . U fazi uzorkovanja, miševi su bili prisiljeni trčati do nasumično određene ruke kako bi uzeli nagradu. Nakon odgode (10 s), mogli su trčati u suprotnoj grani (ispravan izbor) kako bi primili drugu nagradu ili trčati u istoj, nenagrađenoj grani (netočna ruka; sl. 7c). Prednost ovog zadatka je omogućavanje ponovljenog testiranja, specifične izolacije faza zadatka (obuka, odgoda, testiranje) i kontrole unutar subjekta. Miševi su trenirani u ovom zadatku bez stimulacije dok se ne postigne kriterijska izvedba od 0.8 (dio točnih pokusa) tijekom najmanje dva dana. Kontrolni miševi ChrimsonR i YFP pokazali su značajno poboljšanje tijekom vremena (RM-ANOVA, F8=8.738,p Manje od ili jednako 0.00{{21} }1 za glavni učinak dana treninga). Važno je da nismo pronašli razlike u stopi učenja između dviju skupina (u paru Tukey; p=0.420; slika 7d). Nakon što su miševi naučili pravilo povezano sa zadatkom DNMTS, procijenili smo performanse dok su isporučivali ili kodirani (0.792 ± 0.045) ili 8 Hz (0). 850 ± 0.036) optogenetska stimulacija samo u fazi kodiranja (prisilni izbor) i nije primijećena nikakva razlika u izvedbi u usporedbi s osnovnom linijom (0.825 ± 0.030, RMANOVA, F11=2.197, str=0.547, N=17; sl. 7e). Kada su stimulirane samo tijekom razdoblja odgode, samo kodirane stimulacije značajno su smanjile performanse pamćenja (0,733 ± 0,057) u usporedbi s osnovnom vrijednošću (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.483, p=0.0495; veličina učinka za glavni učinak tretmana, η2p=0.109; Slika 7f). Nasuprot tome, kada su stimulirani tijekom vraćanja, miševi stimulirani s 8 Hz pokazali su značajno smanjene performanse pamćenja (0,675 ± 0,049) u usporedbi s osnovnom linijom (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.265, p=0). 050; slika 7g). Suprotno tome, YFP kontrolni miševi nisu bili pod utjecajem stimulacija tijekom kodiranja (RM-ANOVA, F2=0.1314, p=0.8781), razdoblje odgode (RMANOVA, F2=0.2020, p=0.8197), ili pronalaženje (RM-ANOVA, F2=0.0454,p=0.9557; veličina učinka za glavni učinak liječenja, η2p=0 .196) radne memorije.

Optogenetička kontrola MS neurona ne mijenja kretanje

Važno je da je ranije objavljeno da bi tempajiranje theta oscilacija moglo smanjiti lokomotornu brzinu i njezinu varijabilnost10, što bi barem djelomično moglo objasniti učinke optogenetskih stimulacija na radno i epizodno pamćenje. Kako bismo temeljito procijenili specifičnost MS optogenetske stimulacije na pamćenje, izveli smo dodatne pokuse kako bismo isključili izravne učinke optogenetskih stimulacija na lokomotornu brzinu. Podskupini miševa kojima je ubrizgan ChrimsonRand implantiran s optičkim vlaknima u MS kao i LFP elektrodama u CA1 bilo je dopušteno da slobodno istražuju otvoreno polje dok su bili podvrgnuti optogenetskim stimulacijama od 5 s ON, 5 s OFF (dodatna slika 6a). Stimulacija od 8 Hz dovela je do dosljednog ritma hipokampalnih oscilacija na tu frekvenciju (dodatna slika 6b). Te stimulacije nisu bile povezane s bilo kakvom očitom promjenom u lokomotornom ponašanju (Dodatna slika 6c), uključujući srednju brzinu (neparni, dvostrani ttest, t116=0.4140, p=0.6796; Dopunska slika. 6d) i koeficijent varijacije brzine (CV; nespareni, dvostrani t-test, t116=0.8296,p=0.4095, n=59 stimulacijske epohe; Dodatna slika 6e) . Slično, kodirana stimulacija dosljedno je dovodila do ukidanja theta oscilacija (dodatna slika 6f), ali bez vidljivih promjena u lokomotornom ponašanju (dodatna slika 6g), uključujući srednju brzinu (neupareni, dvostrani t-test, t118=0).2268 , p=0.8210; n=60 epoha stimulacije; dopunska slika 6h) i CV brzine (neupareni, dvostrani t-test, t118=1.838, p {{36 }}.686; n=60 epoha stimulacije; Dodatna slika 6i).

Dok su prirodna theta frekvencija i lokomotorna brzina u korelaciji59, točan smjer uzročnosti između ovih varijabli ostaje slabo shvaćen. Kako bismo odgovorili na ovo pitanje, izveli smo optogenetsku stimulaciju koristeći paradigmu 5s ON, 5s OFF, a odabrana je nasumična frekvencija za svaku epohu stimulacije (dopunska slika 6j). Ove frekvencije stimulacije pokrile su cijeli spektar thetabanda (dodatna slika 6k). Kao što je i očekivano, otkrili smo da su prirodne frekvencije theta oscilacija u izravnoj korelaciji s brzinom trčanja za jedan primjer miša (R2=0.1114, p Manje od ili jednako 0.0001; Dodatna slika 6l). Važno je da kada frekvencija theta oscilacije proizlazi iz MSoptogenetske kontrole, korelacija pada ispod razine slučajnosti (R2=0.0006779, p=0.6244; Dodatna slika 6m), što sugerira da kretanje diktira theta frekvenciju, ali ne i suprotan. Sustavno smo replicirali ove rezultate na miševima i uočili pad korelacije između theta frekvencije i lokomotorne brzine pod kontrolom optogenetske stimulacije (upareni t-test, t3=3.922, p=0.0295;N {{20 }} miševa; Dodatna slika 6n). Sve u svemu, ovi rezultati potvrđuju da naša optogenetička stimulacija ne mijenja lokomotorno ponašanje, što je vrlo relevantno za sljedeće testove ponašanja.

For more information:1950477648nn@gmail.com