Ένας αναδυόμενος κώδικας νευρωνικής συνδραστικότητας για δυναμική μνήμη

Επικοινωνία:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Αφηρημένη

Οι νευρωνικοί συσχετισμοί εξωτερικών μεταβλητών παρέχουν πιθανούς εσωτερικούς κώδικες που καθοδηγούν τη συμπεριφορά ενός ζώου. Συγκεκριμένα, χαρακτηριστικά πρώτης τάξης της νευρικής δραστηριότητας, όπως οι ρυθμοί πυροδότησης ενός νευρώνα, έχουν εμπλακεί στην κωδικοποίηση πληροφοριών. Ωστόσο, ο βαθμός στον οποίο χαρακτηριστικά υψηλότερης τάξης, όπως η συνδραστικότητα πολλών νευρώνων, παίζουν πρωταρχικούς ρόλους στην κωδικοποίηση πληροφοριών ή δευτερεύοντες ρόλους στην υποστήριξη κωδίκων ενός νευρώνα παραμένει ασαφής. Εδώ δείχνουμε ότι η συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου μεταξύ των νευρώνων CA1 του ιππόκαμπου διακρίνει διακριτά συμβάντα συμπεριφοράς διάρκειας χιλιοστού του δευτερολέπτου. Αυτή η διάκριση έκτακτης ανάγκης δεν είχε σχέση με τον συντονισμό μεμονωμένων νευρώνων, αλλά αντίθετα μια αναδυόμενη ιδιότητα της συνδραστηριότητάς τους. Τα μοτίβα διάκρισης έκτακτης ανάγκης ενεργοποιήθηκαν εκ νέου εκτός σύνδεσης μετά την εκμάθηση και η επαναφορά τους προβλεπόταν δοκιμή με δοκιμήμνήμηεκτέλεση. Επιπλέον, η οπτογενετική καταστολή των εισροών από την ανάντη περιοχή CA3 επιλεκτικά κατά τη διάρκεια της μάθησης μείωσε τις πληροφορίες έκτακτης ανάγκης με βάση τη συνδραστικότητα στο CA1 και τις επακόλουθες δυναμικέςμνήμηανάκτηση. Αυτά τα ευρήματα προσδιορίζουν τη συνδραστικότητα ως κύριο χαρακτηριστικό της νευρικής πυροδότησης που διακρίνει διαφορετικές μεταβλητές που σχετίζονται με τη συμπεριφορά και υποστηρίζειμνήμηανάκτηση.

βελτίωση της μνήμηςCistancheσυμπλήρωμα

Ποια χαρακτηριστικά της νευρικής δραστηριότητας χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να κωδικοποιήσει πληροφορίες σχετικά με τον εξωτερικό κόσμο; Πολλά στοιχεία δείχνουν ότι οι ρυθμοί πυροδότησης1,2 και οι ιδιότητες χρονικής ρύθμισης3,4 των μεμονωμένων νευρώνων δείχνουν ισχυρούς συσχετισμούς με εξωτερικές μεταβλητές. Αυτά τα χαρακτηριστικά πρώτης τάξης της νευρικής δραστηριότητας θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως νευρικοί κώδικες που διαβάζονται από δομές κατάντη για να καθοδηγήσουν στη συνέχεια τη συμπεριφορά5. Επιπλέον, οι πρόοδοι in vivo καταγραφές πολλαπλών μονάδων επέτρεψαν μια περαιτέρω εκτίμηση για το ρόλο της δυναμικής του νευρωνικού πληθυσμού στην υποστήριξη των εσωτερικών αναπαραστάσεων - Η χρονική κλίμακα στην οποία οργανώνεται η δραστηριότητα του πληθυσμού μπορεί να είναι κρίσιμη. Συγκεκριμένα, η συμπτωματική αιχμή στη χρονική κλίμακα της χρονικής σταθεράς της μεμβράνης ενός νευρώνα (~10-30 ms για τους νευρώνες του φλοιού) οδηγεί αποτελεσματικά τους κατάντη νευρώνες δέκτες5,10, μπορεί να αναλυθεί εντός των ταλαντώσεων δικτύου που επιταχύνουν την πυροδότηση των νευρωνικών πληθυσμών και μπορεί να σταθεροποιήθηκε γρήγορα μέσω πλαστικότητας που εξαρτάται από το χρόνο ακίδας (STDP)l1,2. Πράγματι, η συνδραστικότητα σε χρονική κλίμακα χιλιοστού του δευτερολέπτου είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα ορισμένων νευρικών κωδίκων5-15. Αυτή η βραχυχρόνια συνδραστικότητα οργανώνει την πυροδότηση νευρώνων με σχετικό συντονισμό σε εξωτερικές μεταβλητές, δημιουργώντας ισχυρές, βασισμένες στον πληθυσμό αναπαραστάσεις που είναι σύμφωνες με εκείνες των συμμετεχόντων νευρώνων4,16,17. Επιπλέον, η συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου θα μπορούσε επίσης να παίξει πρωταρχικό ρόλο στην κωδικοποίηση πληροφοριών. Δηλαδή, ομάδες νευρώνων μπορεί να κωδικοποιούν μια μεταβλητή ως συνάρτηση της κοινής τους δραστηριότητας ανεξάρτητα από το αν κάθε νευρώνας είναι συντονισμένος μεμονωμένα σε αυτήν τη μεταβλητή. Ενώ αυτός ο τύπος αναδυόμενης, βασισμένης σε συνδραστικότητα κωδικοποίησης έχει περιγραφεί για σωματικά καλά καθορισμένες μεταβλητές, όπως συγκεκριμένες αισθητηριακές εισροές και ενέργειες-20, η πιθανή γνωστική του λειτουργία δεν έχει διερευνηθεί.

Cistancheμπορεί να θεραπεύσει το Αλτσχάιμεροφέλη από το κιστάνσι της ερήμου

Δεδομένης της δυνατότητας ταχείας σταθεροποίησης και ανάκτησης νευρικών κωδίκων που βασίζονται σε συνδραστικότητα σε χρονική κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου, τέτοιοι κώδικες μπορεί να υποστηρίζουν συμπεριφορικές επιδόσεις όταν τα ζώα πρέπει να μάθουν γρήγορα και να ανακτήσουν ευέλικτα σημαντικές πληροφορίες - μια διαδικασία που αναφέρουμε εδώ ως "δυναμικήμνήμη". Συγκλίνοντα στοιχεία υποδηλώνουν έναν εξέχοντα ρόλο του ιππόκαμπου για μια τέτοια γρήγορη και ευέλικτη μάθηση21-23, υποστηρίζοντας μοντέλα που πλαισιώνουν τον ιππόκαμπο ως ένα σύστημα γρήγορης μάθησης24. Επιπλέον, η νευρική δραστηριότητα στον ιππόκαμπο οργανώνεται σε χρονικά ακριβή σημεία συνδραστικότητας15. 225. Επομένως, υποθέσαμε ότι τα μοτίβα συνδραστικότητας χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου στον ιππόκαμπο διαδραματίζουν πρωταρχικό ρόλο στην κωδικοποίηση

πληροφορίες σχετικές με τη συμπεριφορά που υποστηρίζουν τη δυναμικήμνήμη, Για να ελεγχθεί αυτή η υπόθεση. αναπτύξαμε μια εργασία διάκρισης μιας ημέρας, δύο απρόβλεπτων, την οποία συνδυάσαμε με την καταγραφή πολλαπλών μονάδων των νευρώνων CAl του ιππόκαμπου και την αιτιολογική οπτογενετική χειραγώγηση των ενδοϊπποκαμπικών συνάψεων. Τα ευρήματά μας καταδεικνύουν τον ρόλο των αναδυόμενων αναπαραστάσεων που βασίζονται σε συνδραστικότητα στην κωδικοποίηση πληροφοριών έκτακτης ανάγκης και στην υποστήριξη της δυναμικής ανάκτησης μνήμης.

1 Συμβούλιο Ιατρικής Έρευνας Brain Network Dynamics Unit, Nuffield Department of ClinicalNeurosciences, University of Oxford, Oxford, OX1 3TH, United Kingdom

2Physiological Laboratory, Department of Physiology Development and Neuroscience, University of Cambridge, Cambridge, CB2 3EG, United Kingdom

3 Department of Pharmacology, University of Oxford, Oxford, OX1 3TH, United Kingdom

Αποτελέσματα

Τα ποντίκια μαθαίνουν και ανακτούν δυναμικά δύο νέα απρόβλεπτα συμπεριφορικά κάθε μέρα

Αρχικά δημιουργήσαμε ένα μονοήμερο μοντέλο συμπεριφοράς που προσλαμβάνει δυναμική μνήμη (Εικ. 1). Τα ποντίκια εκπαιδεύτηκαν αρχικά για τη συλλογή μιας παροδικά διαθέσιμης (5-δεύτερης) σταγόνας σακχαρόζης από έναν διανομέα υγρού μετά την παρουσίαση ενός ακουστικού σήματος (φάση προεκπαίδευσης l· Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 1). Στη συνέχεια, τα ζώα αντιμετώπιζαν ένα νέο περίβλημα εκμάθησης κάθε μέρα, το οποίο καθοριζόταν από μια νέα χωρική τοπολογία, δύο νέα σετ οθονών LED επίτοιχων και δύο πρόσφατα τοποθετημένους διανομείς (προεκπαιδευτική φάση 2, Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ.1). Σε αυτό το περίβλημα εκμάθησης, τα ζώα αντιμετώπισαν τον ακόλουθο κανόνα: αμέσως μετά την παρουσίαση του τόνου, ο ένας διανομέας χορηγεί μια σταγόνα διαλύματος σακχαρόζης ενώ ο άλλος χορηγεί ταυτόχρονα ένα πικρό διάλυμα (κινίνης). και οι δύο σταγόνες είναι προσωρινά διαθέσιμες. Είναι σημαντικό ότι ο συνδυασμός διανομέα-διαλύματος εξαρτάται από το ποια από τα δύο σετ ενδείξεων LED φωτίζεται ταυτόχρονα με τον τόνο (Εικ. la,b). Όταν τα ζώα έφτασαν κατά μέσο όρο στο 80 τοις εκατό της απόδοσης σε αυτήν την προ-προπονητική φάση, ξεκινήσαμε τη φάση εκπαίδευσης, η οποία περιελάμβανε τρία στάδια κάθε μέρα (Εικ. Ic). Στο πρώτο στάδιο, τα ζώα εξερεύνησαν το νέο περίβλημα εκμάθησης σε δύο συνεδρίες. το καθένα με ένα από τα δύο σετ LED συνεχώς φωτισμένο αλλά χωρίς παρουσίαση τόνου ή απόδοση πτώσης, καθώς και μια άλλη συνεδρία εξερεύνησης σε ένα περίβλημα ελέγχου (που δεν σχετίζεται με την εργασία) (στάδιο "Εξερεύνηση", Εικ., lc και Εκτεταμένα Δεδομένα Σχ. 2α). Στο δεύτερο στάδιο, τα ζώα έμαθαν να συσχετίζουν κάθε σετ LED με την παροχή ενός εκλεκτικού αποτελέσματος πτώσης που προκαλείται από τον τόνο σε κάθε διανομέα σε τέσσερις συνεδρίες που εναλλάσσονται μεταξύ ενεργών LED ("στάδιο εκμάθησης; Εικ. lc).

οφέλη από το κιστάνσι της ερήμου

Αναφερόμαστε σε αυτές τις συσχετίσεις ως «ενδεχόμενα» συμπεριφοράς που ορίζονται από τις LED (Xand Y, Fig, la), με τα ζώα να μαθαίνουν δύο νέα απρόοπτα κάθε μέρα (εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 2β). Κατά τη διάρκεια της μάθησης, τα ποντίκια ανέπτυξαν γρήγορα μια επιτυχημένη προσέγγιση προσέγγισης στον σωστό διανομέα (σακχαρόζης) έναντι του λανθασμένου διανομέα (κινίνης) σε κάθε ενδεχόμενο (Εικ. ld,e και Εκτεταμένα Δεδομένα Σχ. 2β). Στο τελικό στάδιο που διεξήχθη στο τέλος του κάθε μέρα (μία ώρα μετά το τέλος της μάθησης), η μνήμη για τα απρόβλεπτα που μάθαιναν πρόσφατα ελέγχονταν σε μια συνεδρία ανίχνευσης όπου ο τόνος παρουσιάστηκε χωρίς παράδοση σταγόνας ενώ εναλλάσσονταν ψευδοτυχαία μεταξύ των δύο σετ LED (στάδιο "Probe"· Εικ. .1c). Σε αυτές τις δοκιμές ανιχνευτών, τα ποντίκια συνέχισαν να αναγνωρίζουν τον σωστό διανομέα (Εικ. 1f και Εκτεταμένα Δεδομένα Σχ. 2γ). Η απόδοση της μνήμης σε μια δεδομένη ημέρα δεν είχε σχέση με εκείνη της προηγούμενης ημέρας (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 3α) και διατηρήθηκε κατά τον μέσο όρο όλων των επιδόσεων ανιχνευτή για κάθε μεμονωμένο ποντίκι (Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 3β).

Επιπλέον, ενώ τα ζώα έκαναν περισσότερα λάθη στην πρώτη δοκιμή ανιχνευτή μετά από μια αλλαγή στα LED σε σύγκριση με τις άλλες δοκιμές (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 3γ), δεν σημειώθηκε επιδείνωση της απόδοσης καθώς προχωρούσε η συνεδρία ανιχνευτή (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 3δ). Έτσι, τα ποντίκια έμαθαν επιτυχώς να διακρίνουν δύο νέα απρόβλεπτα συμπεριφοράς κάθε μέρα και ανακτούσαν με ευελιξία μια μνήμη αυτής της διάκρισης, παρέχοντας ένα παράδειγμα για τη μελέτη των νευρικών υποστρωμάτων της δυναμικής μνήμης.

Αναδυόμενη διάκριση συνδραστικότητας χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου των απρόβλεπτων συμπεριφορών

Για να διερευνήσουμε εάν αναπτύσσεται ένας αναδυόμενος κώδικας συνδραστικότητας στην εργασία μας, παρακολουθήσαμε τα νευρωνικά σύνολα CAl του ιππόκαμπου κατά τη διάρκεια των ημερών προπόνησης. Αρχικά εκπαιδεύσαμε έναν ταξινομητή Bayes για την αποκωδικοποίηση της επικρατούσας έκτακτης ανάγκης σε δοκιμαστική βάση τόσο από τους μέσους ρυθμούς πυροδότησης των κύριων νευρώνων όσο και από βραχυπρόθεσμους χρονικούς συσχετισμούς ανά ζεύγη (25-ms) μεταξύ των αμαξοστοιχιών νευρωνικών ακίδων. Η ανακάτεμα των χρονικών συσχετίσεων μεταξύ των δοκιμών, διατηρώντας παράλληλα τους μέσους ρυθμούς πυροδότησης δοκιμής, μείωσε σημαντικά την αποκωδικοποίηση των συνεχιζόμενων απρόοπτων (Εικ.2α· Εκτεταμένα δεδομένα Σχ.4α). Επιπλέον, οι πληροφορίες έκτακτης ανάγκης μόνο στις χρονικές συσχετίσεις ήταν δραστικά μειωμένες όταν μετατοπίζονταν αιχμές για να καταστρέψουν τη συνδραστικότητα μικρής κλίμακας, διατηρώντας παράλληλα τις συσχετίσεις λόγω αργών διακυμάνσεων του ρυθμού πυροδότησης πληθυσμού σε κάθε δοκιμή (Εικ. 2β). Οι συσχετίσεις μικρής κλίμακας είχαν επίσης εξηγήσει σημαντικά τη διακύμανση για απρόβλεπτα καθήκοντα (Εικ. 2γ). Αυτά τα αποτελέσματα έδειξαν την παρουσία πληροφοριών που σχετίζονται με απρόβλεπτα σε συνδραστικότητα μικρής κλίμακας πέρα ​​από τις πληροφορίες στους ρυθμούς πυροδότησης ενός νευρώνα.

Για τη διερεύνηση της συνάφειας εργασιών της συνδραστηριότητας που σχετίζεται με απρόβλεπτα, απομονώσαμε μοτίβα συνδραστηριότητας που είναι φωλιασμένα εντός 25-ms χρονικών παραθύρων26 χωριστά σε κάθε ενδεχόμενο εντός του περιβλήματος εκμάθησης. Αντιπροσωπεύσαμε κάθε σχέδιο με ένα διάνυσμα βάρους που περιέχει τη συμβολή κάθε νευρώνα στη συνδραστικότητα που στηρίζει αυτό το μοτίβο (Εικ. 2δ). Αυτά τα μοτίβα συνδραστικότητας διέφεραν από αυτά που εξήχθησαν στο περίβλημα ελέγχου (Εικ. 2e, f), δείχνοντας την εκλεκτική έκφραση του χωρικού πλαισίου. Επιπλέον, ορισμένα μοτίβα περιβλήματος μάθησης διέκριναν τα δύο ενδεχόμενα, όντας επιλεκτικά είτε με το Xor Y(Εικ.2e,f; Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 4β. πορτοκαλί). μοτίβων περιβλημάτων μάθησης με υψηλή ομοιότητα μεταξύ ενδεχομένων (Εικ. 2ε, στ Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 4β, μπλε). Αναφερόμαστε σε αυτά ως μοτίβα συνδραστικότητας που διακρίνουν απρόβλεπτα και αμετάβλητα κατά περίπτωση, αντίστοιχα. Οι νευρώνες που συνέβαλαν περισσότερο σε ένα δεδομένο μοτίβο αναφέρονται εφεξής ως "μέλη" αυτού του σχεδίου (βλ. Μέθοδοι).

Επιβεβαιώσαμε ότι για μέλη της ίδιας έκτακτης ανάγκης που διακρίνονταν, αλλά όχι αμετάβλητα, το μοτίβο συσχετίστηκε περισσότερο σε ένα ενδεχόμενο από το άλλο (Εικ. 3α). Σημαντικό, ωστόσο, είναι ότι τα μέλη των μοτίβων που διακρίνουν ενδεχόμενα δεν ήταν μεμονωμένα επιλεκτικά έκτακτης ανάγκης (Εικ. 3β· Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 4γ), ανεξάρτητα από το όριο συμμετοχής που χρησιμοποιήθηκε (Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 4δ, ε). και ως εκ τούτου μπορούν να διαχωριστούν από νευρώνες που έχουν διαμορφωθεί με βάση τα συμφραζόμενα προηγουμένως2-29. Επιπλέον, αυτή η διάκριση έκτακτης ανάγκης με βάση τη συνδραστικότητα δεν εξηγήθηκε από διαφορές στις ιδιότητες χρονικής πυροδότησης μεμονωμένων νευρώνων μελών μεταξύ απρόβλεπτων (Εικ. 3c-e). Επιπλέον, τα μέλη του μοτίβου που διακρίνουν απρόβλεπτα δεν ήταν συντονισμένα στον στόχο (Εικ.3fg) και ως εκ τούτου δεν ανέφεραν τροχιές στον στόχο 30. Επίσης, δεν παρατηρήσαμε διαφορές στη συμμετοχή των νευρώνων κατά μήκος του εγκάρσιου άξονα του CAl στη διάκριση έκτακτης ανάγκης και αμετάβλητα μοτίβα (52,1 τοις εκατό και 48,2 τοις εκατό των νευρώνων μελών προτύπου που βρέθηκαν στο εγγύς και άπω CAl, αντίστοιχα. Ακριβής δοκιμή Fisher: αναλογία πιθανοτήτων=1.17, P=0.55), χωρίς διαχωρισμό κατά ημισφαίριο ( Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 4στ) και καμία διαφορά στη συμμετοχή νευρώνων από το βαθύ ή επιφανειακό πυραμιδικό υποστιβάδα CAl που διακρίνει τις καταστάσεις σε σύγκριση με τα αμετάβλητα μοτίβα έκτακτης ανάγκης (39,9 τοις εκατό και 28,4 τοις εκατό των νευρώνων μελών του προτύπου, αντίστοιχα. Ακριβής δοκιμή Fisher: πιθανότητες αναλογία=1.44· P-0.20). Ωστόσο, παρατηρήσαμε μια τάση προς τα μέλη μοτίβων συνδραστικότητας που διακρίνουν ενδεχόμενα να πυροβολούν σε προηγούμενες φάσεις θήτα σε σύγκριση με μέλη αμετάβλητων μοτίβων έκτακτης ανάγκης (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 4g). Συνολικά, αυτά τα ευρήματα προσδιορίζουν μια αναδυόμενη, βραχυπρόθεσμης κλίμακας διάκριση με βάση τη νευρική συνδραστικότητα των απρόβλεπτων συμπεριφορών στο CA1 του ιππόκαμπου.

οφέλη από το κιστάνσι της ερήμου

Στη συνέχεια ρωτήσαμε εάν τα μοτίβα συνδραστικότητας που διακρίνουν ενδεχόμενα σχετίζονται με την εκμάθηση έκτακτης ανάγκης. Όταν παρακολουθήσαμε την ισχύ κάθε σχεδίου (Εικ.2δ) με την πάροδο του χρόνου, διαπιστώσαμε ότι τα αμετάβλητα μοτίβα έκτακτης ανάγκης άρχισαν να αυξάνονται σε ισχύ κατά την αρχική εξερεύνηση του νέου περιβλήματος leaming κάθε μέρα, προτού τα ζώα αντιμετωπίσουν απρόβλεπτα καθήκοντα, η δύναμή τους αυξανόταν περαιτέρω και στη συνέχεια αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της εκμάθησης (Εικ. 4α, Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 5α, β). Αντίστροφα, η συνδραστικότητα που διακρίνει τα ενδεχόμενα ήταν πιο σταθερή κατά τη διάρκεια της εξερεύνησης, αλλά αυξήθηκε σημαντικά κατά τη διάρκεια της εκμάθησης έκτακτης ανάγκης (Εικ. 4α· Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 5α, β). Η ενίσχυση του μοτίβου κατά τη διάρκεια της μάθησης αντανακλούσε αυξημένες χρονικές συσχετίσεις μεταξύ της δραστηριότητας των μελών παρά τις αλλαγές στους μέσους ρυθμούς πυροδότησης τους (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 5γ,δ). Επιπλέον, η συνένωση μελών μοτίβου αμετάβλητου σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης αυξήθηκε κατά τη διάρκεια αιχμηρών κυμάτων/κυματισμών μετά από τον ύπνο πριν από την εξερεύνηση και αυξήθηκε ξανά κατά την περίοδο ύπνου μετά την εκμάθηση, ενώ τα μέλη μοτίβων που διακρίνουν έκτακτα αύξησαν μόνο το οξύ κύμα/κυματισμό τους cofiring μετά από μάθηση έκτακτης ανάγκης (Εικ.4β,γ). Έτσι, η διάκριση μεταξύ των μελών προτύπων που είναι αμετάβλητα ως προς το ενδεχόμενο και τα μέλη προτύπων που διακρίνουν ενδεχόμενο δεν ήταν ισοδύναμη με τη διαφορά μεταξύ των «άκαμπτων» και «πλαστικών» κυψελών που περιγράφηκαν προηγουμένως31. Επιπλέον, τα ευρήματά μας δεν αντανακλούσαν απλώς αναπαραστάσεις ανταμειφόμενων/αποκρουστικών τοποθεσιών2/καθώς η ισχύς του μοτίβου υπολογίστηκε εκτός των τοποθεσιών διανομέα, ούτε ήταν μια απλή αντανάκλαση της διαφορικής συμπεριφοράς του ζώου μεταξύ των δύο απρόοπτων (π.χ. κατεύθυνση προς έναν δεδομένο διανομέα, Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 5ε). Είναι σημαντικό ότι η επαναφορά μοτίβων που διακρίνουν ενδεχόμενα κατά την ανάκτηση μνήμης προέβλεπε την απόδοση δοκιμής-δοκιμής. αυτά τα μοτίβα ήταν ισχυρότερα πριν από τις σωστές, σε σύγκριση με τις λανθασμένες, συμπεριφορικές αποκρίσεις στην παρουσίαση του τόνου (Εικ. 4δ, Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 5στ). Αυτή η επιλογή έκτακτης ανάγκης και η σχετιζόμενη με την απόδοση επαναφορά της συνδραστικότητας CAl δεν συσχετίστηκε με προκατάληψη του ρυθμού πυροδότησης των νευρώνων μελών ούτε με ταχύτητα τρεξίματος ζώων (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 5gh) και απουσίαζε ιδιαιτέρως όταν τα ζώα εκτελούσαν την ευκαιρία (δηλ. όταν ήταν σωστά και Οι λανθασμένες δοκιμές ήταν ισοδύναμες· Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 5i). Αντίθετα, η ισχύς των αναλλοίωτων μοτίβων έκτακτης ανάγκης δεν σχετιζόταν με την απόδοση της μνήμης δοκιμής με δοκιμή (Εικ. 4δ). Επιπλέον, ενώ υπήρχαν πληροφορίες σχετιζόμενες με έκτακτες ανάγκες σε μεγαλύτερη (1-δεύτερη) συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας (Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 5j), η επαναφορά της συνδραστικότητας δεύτερης χρονικής κλίμακας που διακρίνει έκτακτη ανάγκη κατά τη διάρκεια της συνεδρίας ανίχνευσης δεν προέβλεπε την απόδοση της μνήμης (Εκτεταμένη Δεδομένα Σχ. 5k). Αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι η αιχμή των νευρώνων CAl οργανώνεται σταδιακά κατά τη διάρκεια της εκμάθησης για να σχηματίσει μοτίβα συνδραστικότητας χρονικής κλίμακας χιλιοστών του δευτερολέπτου που αντιπροσωπεύουν νέα απρόβλεπτα, τα οποία στη συνέχεια αποκαθίστανται σε βάση δοκιμής κατά τη διάρκεια της δυναμικής ανάκτησης μνήμης.

Διακεκριμένος χωρικός συντονισμός μοτίβων συνδραστικότητας που διακρίνουν ενδεχόμενα και αμετάβλητα

Κατά τη διάρκεια της εξερεύνησης ενός νέου περιβάλλοντος, οι νευρώνες CAl με επικαλυπτόμενα πεδία θέσης μπορούν να σχηματίσουν χωρικά συντονισμένα μοτίβα συνδραστικότητας,17,32. Για να διερευνήσουμε τον χωρικό συντονισμό των μοτίβων συνδραστικότητας κατά τη διάρκεια της εκμάθησης έκτακτης ανάγκης, υπολογίσαμε για κάθε ανιχνευόμενο μοτίβο τον χωρικό χάρτη που αντιστοιχεί στη χρονική πορεία της ισχύος ενεργοποίησής του, καθώς και τους μεμονωμένους χάρτες ρυθμού πυροδότησης κάθε νευρώνα μέλους του. Η συνδραστικότητα που διακρίνει ενδεχόμενα ήταν σημαντικά λιγότερο συνεπής χωρικά από την αμετάβλητη συνδραστικότητα έκτακτης ανάγκης (Εικ. 5α-δ και Εκτεταμένα Δεδομένα Σχ. 6). Αυτό συνέβαινε με τη λιγότερο συνεκτική ενεργοποίηση των μελών μοτίβων που διακρίνουν το ενδεχόμενο σε σχέση με τα αμετάβλητα ως προς το ενδεχόμενο αντίστοιχά τους (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα Ta,b), με τα μέλη που διακρίνουν έκτακτη ανάγκη να παρουσιάζουν επίσης μια τάση προς περισσότερα πεδία θέσης σε μια δεδομένη συνεδρία σε σύγκριση σε αμετάβλητα μέλη έκτακτης ανάγκης (Extended Data Fig, 7c). Επιπλέον, ενώ τα μέλη ενός δεδομένου μοτίβου αμετάβλητου έκτακτης ανάγκης είχαν αλληλεπικαλυπτόμενα πεδία πυροδότησης, τα μέλη ενός δεδομένου σχεδίου διάκρισης έκτακτης ανάγκης ήταν αξιοσημείωτα λιγότερο χωρικά συσχετισμένα (Εικ. 5a,b,e; Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 6). Αυτή η ασθενέστερη χωρική επικάλυψη παρατηρήθηκε ανεξάρτητα από το όριο συμμετοχής που χρησιμοποιήθηκε (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 7δ, ε) και ήταν ανθεκτική στις διαφορές στη χρονική συσχέτιση μεταξύ των συρμών ακίδας μελών (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 7στ. Επιπλέον, ενώ η συνδραστικότητα αναλλοίωτης έκτακτης ανάγκης ήταν χωρικά προκατειλημμένη προς τα πεδία θέσης των νευρώνων μελών τους, αυτή η μεροληψία ήταν σημαντικά ασθενέστερη για μοτίβα που διακρίνουν ενδεχόμενα (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 7g,h). για ενδεχόμενο σε σύγκριση με ζεύγη νευρώνων με χαμηλή επεξηγημένη διακύμανση (Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 7i). Τέλος, δεν βρήκαμε στοιχεία ότι η διάκριση έκτακτης ανάγκης από ένα δεδομένο μοτίβο συνδραστικότητας αντανακλά τη χωρική επαναχαρτογράφηση των νευρώνων μελών του. Στην πραγματικότητα, ο χωρικός χάρτης του ένα μεμονωμένο μέλος οποιουδήποτε τύπου μοτίβου ήταν κατά μέσο όρο πιο όμοιο σε περιόδους σύνδεσης διαφορετικών απρόβλεπτων από ό,τι σε συνεδρίες του ίδιου απρόβλεπτο (Εικ. 5f,g; Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 7ι), ακόμη και όταν ταιριάζουν η χωρική συνοχή των μελών προτύπων που διακρίνουν ενδεχόμενα με εκείνη των αμετάβλητων αντιστοίχων καταστάσεων (Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 7κ). Επιπλέον, τα μέλη του ίδιου προτύπου διάκρισης απρόβλεπτων συσχετίστηκαν χωρικά μεταξύ τους σε συνεδρίες της προτιμώμενης απρόοπτης όπως ήταν σε συνεδρίες αντίθετης απρόοπτης (Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 7). Συνολικά, αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι η συνδραστικότητα αναλλοίωτη σε ενδεχόμενο παρέχει ισχυρές αναπαραστάσεις θέσεων δεσμεύοντας χωρικά ομοειδείς νευρώνες. Αντίθετα, τα μοτίβα που διακρίνουν ενδεχόμενα συρράπτουν τους νευρώνες ανεξάρτητα από τη χωρικά συσχετισμένη δραστηριότητά τους, οδηγώντας σε χωρικά ασυνεχή συνδραστικότητα που συνάδει με μια εξειδίκευση στην αναπαράσταση συνεχούς συμπεριφοράς απρόβλεπτου.

CA3-→Οι είσοδοι CA1 είναι απαραίτητες για τη διακριτική συνδραστικότητα και τη δυναμική ανάκτηση μνήμης

Τέλος, για να αντιμετωπιστεί ο λειτουργικός ρόλος της συνδραστικότητας που διακρίνει ενδεχόμενα, επιδιώξαμε να εντοπίσουμε και να χειριστούμε ένα νευρικό μονοπάτι απαραίτητο για το σχηματισμό τους. Η συνδραστικότητα CAl θα μπορούσε να βασίζεται σε συναπτικές εισόδους από την επαναλαμβανόμενα συνδεδεμένη ανάντη περιοχή CA3 του ιππόκαμπου33,34 και πρόσφατη εργασία προτείνει έναν κρίσιμο μνημονικό ρόλο των αριστερών εισόδων CA3(CA3L) στο CA135,36. Αντίστοιχα, μετατρέψαμε CA3-πυραμιδικούς νευρώνες ποντικών Grik{{{10}}Cre με την κίτρινη αντλία πρωτονίων Archaerhodopsin-3.0(Εικ.6a,b). Η αμφίπλευρη εμφύτευση τετρωδών και οπτικών ινών επέτρεψε περαιτέρω την ταυτόχρονη παρακολούθηση και την παροχή φωτός στα σύνολα CAl. Η παροχή φωτός που στοχεύει τους άξονες CA3-σε CAl κατά τη διάρκεια της εκμάθησης μείωσε σημαντικά την ισχύ των ταλαντώσεων αργού γάμμα με θήτα, αλλά όχι μεσαίου γάμμα, σε CAl (Εικ.6γ· Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 8α-γ), συνεπής με την πρόταση ότι οι ταλαντώσεις αργού γάμμα CAl αναφέρουν εισερχόμενες εισόδους CA337,38. Ενώ η καταστολή των εισόδων CA3L→CAl διατήρησε τόσο την οργάνωση των νευρώνων CAl σε μοτίβα συνδραστικότητας κατά τη διάρκεια της εκμάθησης όσο και την ισχύ επαναφοράς τέτοιων μοτίβων κατά την ανάκτηση μνήμης (Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 8δ,ε), αυτή η παρέμβαση άλλαξε το περιεχόμενο πληροφοριών της συνδραστικότητας CAl. Πρώτον, η κατανομή της ομοιότητας προτύπων μεταξύ ενδεχομένων και της αναλογίας ισχύος διπλώματος ευρεσιτεχνίας μετατοπίστηκε προς την αναλλοίωτη κατάσταση έκτακτης ανάγκης (Εικ. 6δ, ε. Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 8στ, Εκτεταμένα δεδομένα Σχ. 9). Δεύτερον, αυτός ο χειρισμός μείωσε την επεξηγημένη διακύμανση για απρόβλεπτα σε συσχετίσεις ανά ζεύγη μικρής χρονικής κλίμακας (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 8g). Τρίτον, η Μπεϋζιανή αποκωδικοποίηση απρόβλεπτων με χρήση τέτοιας συνδραστικότητας μικρής χρονικής κλίμακας επηρεάστηκε σημαντικά με την καταστολή εισόδου CA3L→CAl (Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 8h). Σε επίπεδο συμπεριφοράς, η επιλεκτική καταστολή των εισόδων CA3-→CAl κατά τη διάρκεια της εκμάθησης δεν είχε καμία επίδραση στη συνεχιζόμενη απόδοση (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 8i) αλλά μείωσε την απόδοση της μνήμης σε τυχαία επίπεδα στο επόμενο τεστ ανιχνευτή μία ώρα μετά, κατά τη διάρκεια της οποίας δεν υπήρχε καταστολή εισόδου (Εικ. 6στ). Αυτή η διαταραχή της λανθάνουσας μνήμης παρατηρήθηκε όταν τα ποντίκια έπρεπε να ανακτήσουν με ευελιξία δύο απρόβλεπτα (Εικ. 6f; Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 8j-1), αλλά όχι όταν ανακτούσαν μόνο ένα ενδεχόμενο (Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 8m). Επιπλέον, η ευέλικτη ανάκτηση μνήμης των δύο απρόβλεπτων διατηρήθηκε μετά την καταστολή των σωστών εισόδων CA3 στο CAl (Εκτεταμένα δεδομένα Σχήμα 8n-u). Μαζί, αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι οι πληροφορίες έκτακτης ανάγκης βασισμένες σε συνδραστικότητα CAl μικρής κλίμακας απαιτούν εισόδους CA3L και απαιτούνται για δυναμική ανάκτηση μνήμης δύο απρόβλεπτων.

Συζήτηση

Σε αυτή τη μελέτη, αναφέρουμε έναν κώδικα ιππόκαμπου που βασίζεται στη συνδραστικότητα για τη δυναμική ανάκτηση μνήμης βραχύβιων απρόοπτων συμπεριφοράς. Η κωδικοποίηση πληροφοριών είναι μια αναδυόμενη ιδιότητα συνδραστικότητας μεταξύ πολλαπλών νευρώνων (Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 10α) επιτρέπει την αποτελεσματική διάκριση των νέων απρόοπτων κάθε μέρα, χωρίς να δεσμεύει μεμονωμένους νευρώνες να αντιπροσωπεύουν τέτοιες βραχύβιες γνωστικές μεταβλητές. Η αναδυόμενη φύση αυτού του κώδικα δείχνει τη συνδραστικότητα μικρής κλίμακας ως κύριο χαρακτηριστικό της νευρικής δραστηριότητας που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση πληροφοριών και την καθοδήγηση της γνώσης, αντί να παίζει μόνο δευτερεύοντες ρόλους, όπως η οργάνωση r σταθεροποιώντας κώδικες βασισμένους στον ρυθμό ενός νευρώνα. Συγκεκριμένα, τα ευρήματά μας δείχνουν ότι η συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου είναι πολύ κατάλληλη για τη μνημονική επεξεργασία βραχύβιων πληροφοριών: σχηματίζεται γρήγορα και αποκαθίσταται εύκολα για να υποστηρίζει την ευέλικτη ανάκτηση μνήμης. Η νευρική συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου μπορεί κατά προτίμηση να εμφανίζει πλαστικότητα που εξαρτάται από το χρόνο ακίδας (STDP) 11,12,39 για να σταθεροποιεί γρήγορα τον κώδικα στη μνήμη. Αντίθετα, ενώ η συνδραστικότητα δεύτερης κλίμακας περιείχε πληροφορίες έκτακτης ανάγκης στην εργασία μας, η επαναφορά της κατά τη δυναμική ανάκτηση μνήμης δεν ήταν προγνωστική της απόδοσης δοκιμής-δοκιμής, η συνδραστικότητα δεύτερης κλίμακας μπορεί να παρουσιάσει πιο αργή πλαστικότητα και ως εκ τούτου να είναι πιο κατάλληλη για τη σταθερή αναπαράσταση μακρόβιων απρόοπτων.

Τα ευρήματά μας παρέχουν επίσης νέες ιδέες για το ρόλο της συσχετισμένης νευρικής δραστηριότητας στην καθοδήγηση της συμπεριφοράς των συμφραζομένων. Η χωρική επαναχαρτογράφηση, όπου τα μοτίβα χωρικών συσχετισμών μεταξύ των κύριων κυττάρων του ιππόκαμπου αποσαφηνίζουν διακριτά χωρικά πλαίσια, έχει προταθεί ως νευρική βάση για τη μάθηση με βάση τα συμφραζόμενα23.Σε αυτή τη μελέτη, παρατηρούμε ότι η συνδραστικότητα που διακρίνει τα ενδεχόμενα δεν είναι αντανάκλαση της χωρικής επαναχαρτογράφησης. Αντίθετα, τα ευρήματά μας συνάδουν με την άποψη ότι η χωρική επαναχαρτογράφηση μπορεί να είναι μια συγκεκριμένη περίπτωση ενός γενικότερου φαινομένου «χρονικής επαναχάρτευσης», στο οποίο η βραχυχρόνια δομή χρονικής συσχέτισης των νευρώνων διαφέρει σε διαφορετικά πλαίσια23. Πράγματι, σε εργασίες όπου τα ζώα πρέπει να αποσαφηνίσουν διαφορετικά χωρικά πλαίσια αναφοράς, η συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου είναι ένας ισχυρός συσχετισμός της διακριτικής συμπεριφοράς στιγμή προς στιγμή διαφορετικών πλαισίων, τόσο σε δίκτυα που δείχνουν χωρική επαναχαρτογράφηση2 όσο και σε εκείνα που κάνουν no25. Αυτό είναι επίσης συνεπές με μια αναγνωστοκεντρική άποψη των νευρικών κωδίκων² καθώς οι κατάντη νευρώνες αναγνώστη/ενεργοποιητή μπορούν να ανιχνεύσουν χρονικές, αλλά όχι χωρικές, συσχετίσεις μεταξύ των νευρώνων εισόδου τους. Συγκεκριμένα, μια πρόβλεψη από αυτό το σχήμα κωδικοποίησης είναι ότι οι νευρώνες του κατάντη δέκτη «διαβάζουν» τις εισερχόμενες πληροφορίες, που αντιπροσωπεύονται ως αναδυόμενη ιδιότητα της συλλογικής δραστηριότητας πολλαπλών νευρώνων, αποσαφηνίζοντας τα σχετικά μοτίβα σύμπτωσης εισόδου χιλιοστού του δευτερολέπτου από τις μυριάδες άλλες εισόδους που λαμβάνουν5. . Μια τέτοια αποκωδικοποίηση μπορεί να υλοποιηθεί από ένα δίκτυο «αναγνώστη»40 ή ακόμη και έναν μεμονωμένο νευρώνα «αναγνώστη»41 (βλ. επίσης Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 10b).

Τα ευρήματά μας αποδεικνύουν περαιτέρω ότι για να "γράψουμε" έναν κώδικα συνδραστικότητας χιλιοστού του δευτερολέπτου για μαθημένα απρόβλεπτα στη μνήμη, είναι απαραίτητες οι είσοδοι CA3-→Cal. Το εάν αυτό σχετίζεται με την πλευροποίηση στο περιεχόμενο πληροφοριών, την επεξεργασία ή/και την πλαστικότητα35,4 των εισροών CA3→CAl μένει να διερευνηθεί. Ωστόσο, δείχνουμε ότι διαφορετικοί τύποι μοτίβων συνδραστικότητας εμφανίζουν ποιοτικά διακριτή λειτουργική πλαστικότητα. Ενώ τα αναλλοίωτα μοτίβα έκτακτης ανάγκης αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της εξερεύνησης και ενεργοποιούνται εκ νέου σε αιχμηρά κύμα/κυματισμούς κατά τη διάρκεια περιόδων εκτός σύνδεσης (αναπαύσεως ύπνου) μετά τη χωρική εξερεύνηση, τα μοτίβα που διακρίνουν έκτακτες καταστάσεις παρουσιάζουν ισχυρές αυξήσεις στη δύναμη κατά τη διάρκεια της εκμάθησης και ενεργοποιούνται ξανά εκτός σύνδεσης σε κύματα αιχμηρών κυμάτων/κυματισμών μετά από μάθηση έκτακτης ανάγκης. Έτσι, τόσο τα αμετάβλητα όσο και τα διακριτικά μοτίβα δείχνουν μια υπογραφή «πλαστικών» κυττάρων που περιγράφηκαν προηγουμένως, αν και σε διαφορετικές καταστάσεις συμπεριφοράς. Αυτό είναι σύμφωνο με τον καταμερισμό της εργασίας μεταξύ των μοτίβων συνδραστικότητας του ιππόκαμπου, με μοτίβα αναλλοίωτα ως προς το ενδεχόμενο που αντανακλούν τη μη εποπτευόμενη μάθηση σχετικά με τη χωρική δομή του περιβάλλοντος και με μοτίβα που διακρίνουν ενδεχόμενα που υποστηρίζουν ευέλικτη συμπεριφορά καθοδηγούμενη από τη μνήμη. Συνολικά, τα ευρήματά μας ανοίγουν νέες προοπτικές για μελλοντικές εμπειρικές μελέτες και μελέτες μοντελοποίησης για την αποσαφήνιση μηχανισμών για τη γραφή και την ανάγνωση πληροφοριών που βασίζονται στη συνδραστικότητα και για τη συσχέτιση σχημάτων κωδικοποίησης σε πολλαπλές χρονικές κλίμακες της δραστηριότητας του πληθυσμού.

Πώς μπορεί να γραφτεί και να διαβαστεί ο κώδικας;

Ο ιππόκαμπος είναι ενσωματωμένος σε ένα ευρύτερο δίκτυο φλοιωδών και υποφλοιωδών δομών που μπορεί να μεσολαβούν ή να ρυθμίζουν τον σχηματισμό του αναδυόμενου κώδικα συνδραστικότητας που περιγράφουμε εδώ (γράφοντας) και την επακόλουθη χρήση του από τους κατάντη νευρώνες (ανάγνωση) για την επιλογή της ειδικής συμπεριφοράς. Παρακάτω περιγράφουμε υποθέσεις σχετικά με πιθανούς μηχανισμούς τόσο για τις διαδικασίες γραφής όσο και για τις διαδικασίες ανάγνωσης.

Δείχνουμε την αναγκαιότητα εισροών CA3--Cal κατά τη διάρκεια της εκμάθησης για την έκφραση ενός αναδυόμενου κώδικα συνδραστικότητας για βραχύβια απρόβλεπτα συμπεριφοράς, που ανοίγει ένα παράθυρο στους ενεργούς μηχανισμούς παραγωγής. Οι είσοδοι CA3 που προέρχονται από το αριστερό ημισφαίριο σε ποντίκια παρουσιάζουν πιο ισχυρή μακροπρόθεσμη πλαστικότητα35,42, συμπεριλαμβανομένου του STDp2, και εμπλέκονται κατά προτίμηση στη μακροπρόθεσμη μνήμη σε σύγκριση με τις δεξιές εισόδους CA335,6. Μια τέτοια διαφορά στην πλαστικότητα μπορεί να παρέχει μέρος του μηχανισμού με τον οποίο ενισχύονται τα μοτίβα που διακρίνουν τα ενδεχόμενα κατά τη διάρκεια της μάθησης. Η εργασία δυναμικής μνήμης που αξιολογούμε εδώ απαιτεί την ταχεία απόκτηση και σταθεροποίηση πληροφοριών έκτακτης ανάγκης (εντός 30 δοκιμών σε κάθε ενδεχόμενο σε περίπου 3 ώρες) καθώς και την ταχεία και ευέλικτη ανάκτησή τους στο τεστ ανιχνευτή μνήμης (1 ώρα μετά τη μάθηση, με συχνές ψευδοτυχαίοι διακόπτες σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης). Τέτοια ταχεία μνημονική επεξεργασία μπορεί να κωδικοποιηθεί κατά προτίμηση από συνδραστικότητα μικρής κλίμακας, καθώς οι μηχανισμοί STDP είναι πιο πιθανό να σταθεροποιήσουν γρήγορα την νευρωνική συν-πυροδότηση εντός σύντομων (10 δευτερολέπτων ms) σε σύγκριση με εκείνη σε μεγαλύτερα παράθυρα1,239. Πράγματι, δείχνουμε ότι η συνδραστικότητα βραχείας (25 ms) αλλά όχι μεγαλύτερης (ls) χρονικής κλίμακας αποκαθίσταται για την πρόβλεψη της απόδοσης (Εικ. 4δ, Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 5κ). Ωστόσο, είναι επίσης πιθανό να παίζουν άλλοι μηχανισμοί πλαστικότητας (συμπεριλαμβανομένων των μη συναπτικών). Ενώ το STDP μπορεί να σταθεροποιεί τα μοτίβα συνδραστικότητας χρονικής κλίμακας χιλιοστών του δευτερολέπτου, ποιες διαδικασίες δημιουργούν τέτοια συνδραστικότητα που κάνει διακρίσεις έκτακτης ανάγκης στην πρώτη θέση; Οι νευρώνες στην οδοντωτή έλικα, δύο συνάψεις ανάντη του CAl, έχουν εμπλακεί σε διαδικασίες διαχωρισμού μοτίβων που μπορεί να είναι απαραίτητες για τη συμφραζόμενη συμπεριφορά43 και μπορούν να το κάνουν μέσω διαφορών στη συνδραστικότητα χρονικής κλίμακας χιλιοστών του δευτερολέπτου25. Επιπλέον, υπάρχουν στοιχεία για μια αριστερή κυριαρχία στην έκφραση του δείκτη δραστηριότητας cFos στην οδοντωτή έλικα κατά την εξερεύνηση νέων αντικειμένων. Είναι σημαντικό, ενώ οι νευρώνες CA3 σε ένα ημισφαίριο στέλνουν προβολές στο ετερόπλευρο ημισφαίριο33, τα δύο ημισφαίρια φαίνεται να διατηρούν λειτουργικές διαφορές στις προβολές τους στο CA35,2 το οποίο στοχεύουμε άμεσα.

Αυτή η πλευροποίηση θα μπορούσε εν μέρει να προκύψει από την αναπτυξιακή πλευροποίηση των παραγόντων που εμπλέκονται στην αδράνεια και την πλαστικότητα45, η οποία μπορεί να είναι ανθεκτική σε τυχόν πιθανές συγχρονιστικές επιδράσεις των επιτροπικών προβολών. Ως εκ τούτου, είναι εύλογο ότι ένας συνδυασμός πλευρικής επεξεργασίας πληροφοριών με βάση τα συμφραζόμενα, που ξεκινά ήδη από τα κυκλώματα διαχωρισμού σχεδίων της οδοντωτής έλικας, και πλευρικής πλαστικότητας στις συνάψεις CA3-CAl συμβάλλουν στον σχηματισμό και τη σταθεροποίηση αναδυόμενων μοτίβων διακρίσεων έκτακτης ανάγκης στο CAl, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι προκύπτουν μοτίβα διάκρισης έκτακτης ανάγκης κατά τη διάρκεια της εκμάθησης και όχι της χωρικής εξερεύνησης (Εικ. 4α), ο σχηματισμός τους δεν είναι απλώς μια αντανάκλαση των αισθητηριακών διαφορών μεταξύ των δύο οθονών LED (οι οποίες είναι επίσης ευδιάκριτες κατά τη διάρκεια των συνεδριών εξερεύνησης X0 και YO) αλλά αντ' αυτού σχετίζεται με τα διαφορετικά ενδεχόμενα ανταμοιβής που το ζώο πρέπει να μάθει να κάνει διακρίσεις. Πράγματι, πρόσφατα στοιχεία υποδηλώνουν ότι η νευρική διάκριση διαφορετικών χωρικών πλαισίων στο CAl, αλλά όχι στην οδοντωτή έλικα, σχετίζεται με τη διάκριση συμπεριφοράς αυτών των πλαισίων46, υποδηλώνοντας μια πρόσθετη πύλη περιβαλλοντικές διαφορές μεταξύ της οδοντωτής έλικας και του CA1. Ο τρόπος με τον οποίο αυτές οι πληροφορίες έκτακτης συμπεριφοράς μεταφέρονται στο CAl είναι επί του παρόντος ασαφές και μπορεί να περιλαμβάνει εισροές από τον προμετωπιαίο φλοιό*7. Το εύρημα που περιγράφεται εδώ, ότι ένας αναδυόμενος κώδικας συνδραστικότητας στο CAl του ιππόκαμπου είναι απαραίτητος για τη δυναμική ανάκτηση της διάκρισης έκτακτης ανάγκης, θα δώσει κίνητρο για επακόλουθες εμπειρικές μελέτες και μελέτες μοντελοποίησης που διευκρινίζουν τις αλληλεπιδράσεις διασταυρούμενων κυκλωμάτων που εμπλέκονται στη δημιουργία αυτής της λειτουργικής συνδραστικότητας.

Πώς αποκωδικοποιείται ο κώδικας συνδραστικότητας του ιππόκαμπου για απρόβλεπτα από κατάντη νευρώνες σε εκτελεστικές και κινητικές περιοχές για να προκαλέσει κατάλληλες συμπεριφορές σε κάθε ενδεχόμενο; Οι νευρώνες του φλοιού έχουν χρονικές σταθερές μεμβράνης στην περιοχή των 10-30ms' που σημαίνει ότι η συγκλίνουσα είσοδος από νευρώνες που είναι συνενεργοί στη χρονική κλίμακα 25-ms που ερευνούμε εδώ μπορεί να εμφανίσει αποτελεσματική χρονική άθροιση στον κατάντη ("αναγνώστη") νευρώνα δενδρίτες και συμβάλλουν στην αιχμή του. Επιπλέον, η συμπτωματική συναπτική ενεργοποίηση εντός αυτού του χρονικού παραθύρου είναι συνεπής με την έναρξη ενεργών, αγωγιμοτήτων με πύλη τάσης στους δενδρίτες, γεγονός που επιτρέπει την υπεργραμμική άθροισή τους48. Αυτό μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως μηχανισμός για την αποσαφήνιση διαφορετικών προτύπων συνδραστικότητας από έναν μόνο νευρώνα αναγνώστη, όπου οι είσοδοι που συγκεντρώνονται κατά προτίμηση χωρικά σε μεμονωμένους δενδρίτες θα είναι πιο πιθανό να προκαλέσουν τέτοιες μη γραμμικότητες παρά πιο διασκορπισμένες εισόδους4, ακόμη και όταν τα μέσα συναπτικά βάρη τέτοιων εισροών δεν διακρίνονται (Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 10β). Αυτό θα επέτρεπε την επιλεκτική ανάγνωση της αναδυόμενης συνδραστικότητας, καθώς οι αναγνώστες δεν θα αποσαφηνίζουν την πυροδότηση μεμονωμένων μελών μοτίβων συνδραστικότητας που διακρίνουν έκτακτα, παρά μόνο τη σύγχρονη δραστηριότητά τους. Άλλοι μηχανισμοί ανάγνωσης συνδραστικότητας μεμονωμένους νευρώνες και βασισμένους σε δίκτυο έχουν επίσης προταθεί1041. Για όλες αυτές τις περιπτώσεις, η γρήγορη (10 ms) φύση αυτού του κώδικα θα πρέπει να επιτρέπει την ταχεία επεξεργασία πληροφοριών έκτακτης ανάγκης που υποστηρίζουν γρήγορες αντιδράσεις συμπεριφοράς σε δυναμικά μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Αυτοί οι σκιαγραφημένοι υποψήφιοι μηχανισμοί με τους οποίους θα μπορούσαν να διαβαστούν οι αναδυόμενοι κώδικες συνδραστικότητας από τα κατάντη κυκλώματα μπορούν να δοκιμαστούν σε μελλοντικές ex viva σε Vivo και σε μελέτες πυριτίου.