Η οπτογενετική αδρανοποίηση του έσω διαφράγματος βλάπτει τον μακροπρόθεσμο σχηματισμό μνήμης αναγνώρισης αντικειμένων

Αφηρημένη

Το θήτα είναι μια από τις πιο εμφανείς εξωκυτταρικές σύγχρονες ταλαντώσεις του εγκεφάλου των θηλαστικών. Το Hippocampaltheta βασίζεται σε ένα άθικτο έσω διάφραγμα (MS) και έχει καταγραφεί σταθερά κατά τη διάρκεια της φάσης εκπαίδευσης κάποιων παραδειγμάτων μάθησης, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να εμπλέκεται στην εξαρτώμενη από τον ιππόκαμπο επεξεργασία μακροπρόθεσμης μνήμης.

Η επεξεργασία της μνήμης είναι μια σημαντική λειτουργία στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Περιλαμβάνει διαδικασίες όπως η αναγνώριση, η κωδικοποίηση, η αποθήκευση και η ανάκτηση πληροφοριών. Είναι μια σημαντική ικανότητα στην καθημερινή μας ζωή που σχετίζεται στενά με τη μάθηση, την εργασία, την κοινωνική αλληλεπίδραση και άλλες πτυχές. Η μνήμη αναφέρεται στην ικανότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου να διατηρεί πληροφορίες, η οποία καθορίζει την ικανότητά μας να μαθαίνουμε από προηγούμενες εμπειρίες και να τις εφαρμόζουμε σε μελλοντικές ζωές.

Η επεξεργασία της μνήμης είναι η βάση για τη βελτίωση της μνήμης. Μέσω αποτελεσματικών δυνατοτήτων επεξεργασίας μνήμης, μπορούμε να κωδικοποιήσουμε, να αποθηκεύσουμε και να ανακτήσουμε καλύτερα πληροφορίες, βελτιώνοντας έτσι τη μνήμη. Όταν χρειάζεται να απομνημονεύσουμε μια πληροφορία, πρέπει πρώτα να αναγνωρίσουμε και να κωδικοποιήσουμε τις πληροφορίες και στη συνέχεια να αποθηκεύσουμε τις κωδικοποιημένες πληροφορίες στην τράπεζα μακροπρόθεσμης μνήμης του εγκεφάλου. Τέλος, όταν πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες, μπορούμε να τις ανακτήσουμε μέσω ανάκτησης. Εάν αυτές οι διαδικασίες πραγματοποιηθούν αποτελεσματικά, η μνήμη μας φυσικά θα βελτιωθεί.

Φυσικά, η ικανότητα επεξεργασίας μνήμης δεν επιτυγχάνεται από τη μια μέρα στην άλλη και πρέπει να βελτιωθεί μέσω της συσσωρευμένης προπόνησης με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, όσον αφορά τον εντοπισμό πληροφοριών, μπορούμε να βελτιώσουμε την ευαισθησία μας στις πληροφορίες μέσω συνεχούς άσκησης, για την εκτέλεση προκαταρκτικής αναγνώρισης. Όσον αφορά την κωδικοποίηση και την αποθήκευση πληροφοριών, μπορούμε να βελτιώσουμε τα εφέ μνήμης χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως τα παλάτια μνήμης. Όσον αφορά την ανάκτηση πληροφοριών, μπορούμε να βελτιώσουμε την ταχύτητα και την ακρίβεια της ανάκτησης μέσω επαναλαμβανόμενης πρακτικής.

Εν ολίγοις, η επεξεργασία της μνήμης και η μνήμη είναι αδιαχώριστα. Μέσω της εκπαίδευσης και της συνεχούς συσσώρευσης εμπειρίας, μπορούμε να βελτιώσουμε την ικανότητα επεξεργασίας της μνήμης μας, βελτιώνοντας έτσι τη μνήμη μας και κάνοντας τη ζωή μας πιο πολύχρωμη. Μπορεί να φανεί ότι πρέπει να βελτιώσουμε τη μνήμη μας. Το Cistanche deserticola μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη μνήμη επειδή το Cistanche deserticola είναι ένα παραδοσιακό κινέζικο φαρμακευτικό υλικό με πολλά μοναδικά αποτελέσματα, ένα από τα οποία είναι η βελτίωση της μνήμης. Η αποτελεσματικότητα του κιμά προέρχεται από τα διάφορα ενεργά συστατικά που περιέχει, όπως οξύ, πολυσακχαρίτες, φλαβονοειδή κ.λπ. Αυτά τα συστατικά μπορούν να προάγουν την υγεία του εγκεφάλου με διάφορους τρόπους.

Κάντε κλικ στην επιλογή Γνωρίστε τη βραχυπρόθεσμη μνήμη πώς να βελτιώσετε

Η μνήμη αναγνώρισης αντικειμένων (ORM) επιτρέπει στα ζώα να αναγνωρίζουν οικεία αντικείμενα και είναι απαραίτητη για την απομνημόνευση γεγονότων και γεγονότων. Στα τρωκτικά, ο μακροπρόθεσμος σχηματισμός ORM απαιτεί έναν λειτουργικό ιππόκαμπο, αλλά η εμπλοκή του MS σε αυτή τη διαδικασία παραμένει αμφιλεγόμενη. Διαπιστώσαμε ότι η εκπαίδευση ενήλικων αρσενικών αρουραίων Wistar σε μια μακροχρόνια εργασία μάθησης που προκαλεί ORM που περιλαμβάνει έκθεση σε δύο διαφορετικά, αλλά ισοδύναμα συμπεριφορικά νέα αντικείμενα ερεθισμάτων αύξησε την ισχύ του ιπποκαμπαλθήτα και ότι η καταστολή του θήτα μέσω οπτογενετικής αδρανοποίησης της ΣΚΠ προκάλεσε αμνησία.

Είναι σημαντικό ότι η αμνησία ήταν συγκεκριμένη για το αντικείμενο που εξερευνούσαν τα ζώα όταν η σκλήρυνση κατά πλάκας απενεργοποιήθηκε. Συνολικά, τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι η ΣΚΠ είναι απαραίτητη για το μακροπρόθεσμο σχηματισμό ORM και υποδηλώνουν ότι η δραστηριότητα θήτα του ιππόκαμπου συνδέεται αιτιωδώς με αυτή τη διαδικασία.

Λέξεις-κλειδιά:

Ρυθμός θήτα, αμνησία, ιππόκαμπος, εγκεφαλικές ταλαντώσεις και μακροπρόθεσμη μνήμη.

Κύριο κείμενο

Οι νευρικές ταλαντώσεις είναι επαναλαμβανόμενα ρυθμικά μοτίβα ηλεκτρικής δραστηριότητας που συμβαίνουν αυθόρμητα ή χωρίς ανταπόκριση σε ερεθίσματα. Το Teta είναι μια αργή (5–10 Hz) νευροταλάντωση που εντοπίζεται κυρίως στον ιππόκαμπο, ιδιαίτερα στην περιοχή CA1, όπου είναι πιο κανονική και δείχνει μέγιστο πλάτος [1]. Το Hippocampaltheta είναι ευαίσθητο στις βλάβες του έσω διαφράγματος (MS) [2] και, παρόλο που οι συσχετισμοί συμπεριφοράς του δεν έχουν ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως, εκτεταμένα στοιχεία δείχνουν ότι υποστηρίζει τη μάθηση [3-5].

Πράγματι, το θήτα διευκολύνει τη μακροπρόθεσμη ενίσχυση του ιππόκαμπου (LTP) [6], το κύριο κυτταρικό μοντέλο της μακροπρόθεσμης μνήμης που εξαρτάται από τον ιππόκαμπο. Η μνήμη αναγνώρισης αντικειμένων (ORM) επιτρέπει στα ζώα να προσδιορίζουν την οικειότητα των αντικειμένων και είναι ζωτικής σημασίας για την απομνημόνευση γεγονότων και τον προγραμματισμό ενεργειών. Στα τρωκτικά, η εκπαίδευση σε ένα πρότυπο μάθησης που βασίζεται στο ORM ενεργοποιεί πολλά μονοπάτια σηματοδότησης που σχετίζονται με την πλαστικότητα και προκαλεί LTP έσω CA1, υποδεικνύοντας ότι ο ιππόκαμπος είναι απαραίτητος για το μακροπρόθεσμο σχηματισμό ORM [7-9]. Αντίθετα, η συμμετοχή των κρατών μελών στη διαδικασία αυτή παραμένει αμφιλεγόμενη. Για παράδειγμα, οι διαφραγματικές βλάβες που βλάπτουν τη χωρική και τη μνήμη εργασίας δεν επηρεάζουν τη μακροχρόνια ORM[10, 11], αλλά η διέγερση της ΣΚΠ μειώνει το μακροπρόθεσμο έλλειμμα ΟΡΜ που παρατηρείται σε επιληπτικά ποντίκια αυξάνοντας τη δραστηριότητα θήτα του ιππόκαμπου [12].

Ως εκ τούτου, ξεκινήσαμε να αναλύσουμε εάν η ρυθμιζόμενη από την MS ιπποκάμπικη θήτα συνδέεται πράγματι με τη μακροχρόνια κατακράτηση ORM. Αρχικά, προσδιορίσαμε εάν ο μακροχρόνιος σχηματισμός ORM επηρεάζει το θήτα του ιππόκαμπου. Για να γίνει αυτό, εμφυτεύουμε συστοιχίες ηλεκτροδίων στη ραχιαία περιοχή CA1 ενήλικων αρσενικών αρουραίων Wistar (ηλικίας 3 μηνών, 300–350 g). Τους εκπαιδεύσαμε στο πρωτότυπο παράδειγμα αναγνώρισης αντικειμένων, μια μακροπρόθεσμη εργασία που προκαλεί ORM βασισμένη στη φυσική προτίμηση των τρωκτικών για την καινοτομία που περιλαμβάνει έκθεση σε δύο διαφορετικά αλλά ισοδύναμα συμπεριφορικά νέα αντικείμενα A και Bin, μια οικεία αρένα ανοιχτού πεδίου για {{10} }min (Εικ. 1α) [13]. Η ψηφιακή βιντεοκάμερα που στερεώθηκε πάνω από την αρένα χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση, την καταγραφή και την ανάλυση της θέσης και της συμπεριφοράς των ζώων με το λογισμικό συστήματος ObjectScan (για λεπτομέρειες βλ. Πρόσθετο αρχείο 1).

Τα γεγονότα εξερεύνησης ορίστηκαν ως Μεγαλύτερο ή ίσο με {{0}}.5-s-μακριές εποχές κατά τις οποίες τα ζώα μύριζαν και/ή άγγιζαν τα αντικείμενα ερεθίσματος με το ρύγχος και/ή τα μπροστινά τους πόδια. Όλες οι άλλες εποχές Μεγαλύτερη ή ίση με 0,5 s σκλήρυνσης θεωρήθηκαν ως συμβάντα μεταξύ εξερεύνησης και, από αυτά, εξετάσαμε περαιτέρω μόνο εκείνες κατά τις οποίες η μέση ταχύτητα κίνησης ήταν Μικρότερη ή ίση με τη μέση ταχύτητα κίνησης όλων των εξερευνητικών γεγονότων. Εκδηλώσεις διαρκείας< 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). 

Η διερευνητική δραστηριότητα παρατηρήθηκε καθ' όλη τη διάρκεια της προπόνησης (Εικ. 1β). Η δραστηριότητα Teta ήταν επίσης εμφανής σε όλη αυτή τη συνεδρία (Εικ. 1c), αλλά η ισχύς θήτα, η οποία προβλέπει τη μάθηση [14], ήταν ιδιαίτερα υψηλή κατά την εξερεύνηση αντικειμένων (Εικ. 1δ, e ). Πράγματι, η ανάλυση φασμάτων ισχύος έδειξε ότι η ισχύς κατά τη διάρκεια των εποχών εξερεύνησης αντικειμένων ήταν 36±7% υψηλότερη από ό,τι κατά τη διάρκεια περιόδων μεταξύ εξερεύνησης (Εικ. 1f, g;F (2, 10)=15.55; P{{12} Ο

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 για thetapower; Obj A vs Obj B, P=0.13 για τη μέγιστη συχνότητα στη δοκιμή πολλαπλών συγκρίσεων του Bonferroni μετά από μονόδρομη ANOVA RM). Μία ημέρα μετά την εκπαίδευση, η μακροχρόνια διατήρηση ORM αξιολογήθηκε με την εκ νέου έκθεση των ζώων σε οικείο αντικείμενο Α και νέο αντικείμενο Γ. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα ζώα εξερεύνησαν κατά προτίμηση το νέο αντικείμενο στη δοκιμή (TT; Εικ. 1h; t (5){ {9}}.95, P=0.0009 σε ένα δείγμα t-test με θεωρητικό μέσο όρο=50).

Η φυσιολογική λειτουργία της ΣΚΠ είναι απαραίτητη για τη δραστηριότητα θήτα του ιππόκαμπου [2]. Η απενεργοποίηση της ΣΚΠ έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν ως εργαλείο για την κατάργηση του θήτα του ιππόκαμπου κατά τη διάρκεια της μάθησης [15]. Προηγουμένως, δείξαμε ότι η διέγερση του κίτρινου φωτός (565 nm) του MS αρουραίων που εκφράζει τον οπτικό νευρωνικό σιγαστήρα αρχαεροδοψίνης T (ArchT; βλέπε πρόσθετο αρχείο 1) [16] γρήγορα και αναστρέψιμα ακυρώνει τη θήτα στη ραχιαία [17] CA [17] CA. . Ως εκ τούτου, για να αναλυθεί η εμπλοκή των MS στον μακροπρόθεσμο σχηματισμό ORM και για να αξιολογηθεί περαιτέρω εάν η θήτα του ιππόκαμπου συνδέεται πράγματι με αυτή τη διαδικασία, οι αρουραίοι που εκφράζουν ArchT στην ΠΣ εκπαιδεύτηκαν στο νέο παράδειγμα αναγνώρισης αντικειμένων χρησιμοποιώντας αντικείμενα ερεθίσματος Α και Β και κίτρινο φως παραδόθηκε στο MSjust κατά την εξερεύνηση του αντικειμένου Α (Εικ. 1i).

Αυτή η διαδικασία δεν επηρέασε την κινητική δραστηριότητα (Εικ. 1j, k; t (39)=1.29, P=0.20 για LigthOFF vs LightON A σε μη ζευγαρωμένη t-test), χρόνος εξερεύνησης αντικειμένων (Εικ. . 1l; t (39)=1.33, P=0.18 για LigthOFF έναντι LightON A σε μη ζευγαρωμένη δοκιμή t) ή τον αριθμό των γεγονότων εξερεύνησης (Εικ. 1l; t (39){ {16}}.93, P=0.06 για LigthOFF εναντίον LightON A σε μη ζευγαρωμένη t-test). Το Long-termORM αξιολογήθηκε κατά τη διάρκεια μιας συνεδρίας δοκιμής διατήρησης παρουσία οικείου αντικειμένου Α ή οικείου αντικειμένου Β παράλληλα με το νέο αντικείμενο C που πραγματοποιήθηκε 24- ώρα μετά την εκπαίδευση. Βρήκαμε ότι μη διεγερμένα ζώα που εκφράζουν ArchT διέκριναν τα αντικείμενα Α και Β από το νέο αντικείμενο C (Εικ. 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).

Το πλάτος θήτα του ιππόκαμπου εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησης [18], αλλά είναι απίθανο οι αλλαγές σε αυτή τη μεταβλητή να εξηγούν την αύξηση της ισχύος θήτα που παρατηρήσαμε κατά τη διάρκεια της προπόνησης, επειδή συγκρίναμε μόνο γεγονότα εξερεύνησης με συμβάντα μεταξύ εξερεύνησης που ταιριάζουν με παρόμοιες ταχύτητες. Είναι επίσης απίθανο η αμνησία που προκλήθηκε από την απενεργοποίηση της ΣΚΠ να οφειλόταν σε μειωμένη ανάκληση, χαμηλότερη απόδοση προπόνησης, υπερέκφραση οπτογενετικής δομής ή επιβλαβή επίδραση της διέγερσης φωτός αυτή καθαυτή, επειδή ήταν ειδικό για το αντικείμενο που εξερευνούσαν τα ζώα όταν εφαρμόστηκε οπτογενετική καταστολή και παροχή φωτός δεν επηρέασε την εξερεύνηση αντικειμένων. Η σκλήρυνση κατά πλάκας δεν προβάλλει μόνο στον ιππόκαμπο αλλά και στον πρόσθιο φλοιό (ACC) [19]. Επομένως, η αμνησία που προκαλείται από την απενεργοποίηση του MS θα μπορούσε ενδεχομένως να προκληθεί από την εξασθένιση αυτής της αλληλεπίδρασης.

Ωστόσο, το ACC δεν εμπλέκεται στον μακροπρόθεσμο σχηματισμό ORM [20] και η αναστολή των προβολών MS-ACC δεν επηρεάζει αυτή τη μορφή μνήμης που μοιάζει με δηλωτικό [21]. Ως εκ τούτου, είναι απίθανο ότι η διαταραχή της λειτουργίας του ACC θα μπορούσε να ευθύνεται για τα αποτελέσματά μας που είναι πιθανό να οφείλονται στην αναστολή του θήτα του ιππόκαμπου. Η ιδέα ότι ο ιππόκαμπος απαιτείται για την επεξεργασία ORM έχει λάβει ευρεία πειραματική υποστήριξη, αλλά δεν είναι ομόφωνα αποδεκτή [22]. Για παράδειγμα, η ενδο-ιππόκαμπη muscimol χορήγηση πριν από την προπόνηση επηρεάζει την ORM μόνο όταν το διάστημα προπόνησης είναι μεγαλύτερο από 10 λεπτά [23], υποδηλώνοντας ότι ο ιππόκαμπος δεν απαιτείται για βραχυπρόθεσμη ανάκληση ORM, ότι άλλες περιοχές του εγκεφάλου αναλαμβάνουν το ρόλο του ιππόκαμπου σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ο όρος επεξεργασία ORM όταν παραμένει απενεργοποιημένος για μεγάλο χρονικό διάστημα ή όταν το βραχυπρόθεσμο και μακροπρόθεσμο ORM περιλαμβάνει ανεξάρτητους μηχανισμούς, όπως έχει αναφερθεί για άλλους τύπους μνήμης [24].

Από αυτή την άποψη, τα δεδομένα μας υποδεικνύουν ότι ο ιππόκαμπος είναι βασικός για το μακροπρόθεσμο σχηματισμό ORM και τεκμηριώνουν περαιτέρω την ιδέα ότι οι δύο μακροπρόθεσμες μνήμες αντικειμένων που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσης στο νέο έργο αναγνώρισης αντικειμένων είναι ανεξάρτητες [13]. Επιπλέον, το γεγονός ότι τα ζώα είχαν αμνησία μόνο για το αντικείμενο που εξερευνούσαν όταν απενεργοποιήθηκε η ΣΚΠ υποδεικνύει έντονα ότι το θήτα δεν είναι απλώς ένα υποπροϊόν της νευρωνικής πλαστικότητας που προκαλείται από τη μάθηση, αλλά συνδέεται λειτουργικά με τους υπολογισμούς που συμβαίνουν στον ιππόκαμπο κατά τη διάρκεια του μακροπρόθεσμου σχηματισμού ORM.

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Buzsáki G. Ταλαντώσεις θήτα στον ιππόκαμπο. Neuron.2002;33(3):325–40.https://doi.org/10.1016/s0896-6273(02)00586-x.

2. Yoder RM, Pang KC. Συμμετοχή GABAεργικών και χολινεργικών διαφραγματικών νευρώνων στον ρυθμό θήτα του ιππόκαμπου. Hippocampus.2005;15(3):381–92.https://doi.org/10.1002/hipo.20062.

3. Seager MA, Johnson LD, Chabot ES, Asaka Y, Berry SD. Ταλαντωτικές εγκεφαλικές καταστάσεις και μάθηση: Επίδραση της εκπαίδευσης ιππόκαμπου θήτα. Proc Natl Acad Sci USA. 2002;99(3):1616–20. https://doi.org/10.1073/pnas.032662099 (Epub 2002 29 Ιανουαρίου).

4. Düzel E, Penny WD, Burgess N. Brain oscillations and memory. Curr OpinNeurobiol. 2010; 20 (2): 143–9. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.01.004 (Epub 2010, 22 Φεβρουαρίου).

5. Berry SD, Seager MA. Ιπποκαμπικές ταλαντώσεις θήτα και κλασική προετοιμασία. Neurobiol Learn Mem. 2001; 76 (3): 298-313.https://doi.org/10.1006/nlme.2001.4025.

6. Huerta PT, Lisman JE. Συναπτική πλαστικότητα κατά την in vitro ταλάντωση της χολινεργικής συχνότητας θήτα. Ιππόκαμπος. 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. Η ενοποίηση της μνήμης αναγνώρισης αντικειμένων απαιτεί φωσφορυλίωση του eIF2 που εξαρτάται από την κινάση HRI στον ιππόκαμπο. Ιππόκαμη-πύον. 2013; 23 (6): 431–6. https://doi.org/10.1002/hipo.22113 (Epub 2013 18 Μαρτίου).

8. Myskiw JC, Rossato JI, Bevilaqua LR, Medina JH, Izquierdo I, CammarotaM. Σχετικά με τη συμμετοχή του mTOR στη μνήμη αναγνώρισης. NeurobiolLearn Mem. 2008;89(3):338–51. https://doi.org/10.1016/j.nlm.2007.10.002 (Epub 2007 Nov 26).

9. Clarke JR, Cammarota M, Gruart A, Izquierdo I, Delgado-García JM. Πλαστικές τροποποιήσεις που προκαλούνται από την επεξεργασία μνήμης αναγνώρισης αντικειμένων. ProcNatl Acad Sci ΗΠΑ. 2010; 107 (6): 2652–7. https://doi.org/10.1073/pnas.0915059107 (Epub 2010 25 Ιανουαρίου).

10. Kornecook TJ, Kippin TE, Pinel JP. Βλάβη βασικού πρόσθιου εγκεφάλου και αναγνώριση αντικειμένων σε αρουραίους. Behav Brain Res. 1999;98(1):67–76.

For more information:1950477648nn@gmail.com