표면 신피질의 세포 기억 표현 통합
Nov 23, 2023
요약
기억 연구의 핵심 개념인 시스템 수준의 기억 강화는 해마에 의존하여 형성되는 기억을 효율적인 해마 독립적 형태로 변환하는 것을 포함하며, 아마도 피질 피질 연결에 의해 인코딩됩니다. 그러나 셀룰러 앙상블 수준에서 통합 신경 코드의 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.
시스템 수준 기억은 사람이 어릴 때 발달하고 시간이 지남에 따라 심화되는 선호도 또는 행동 패턴을 나타냅니다. 시스템 수준의 기억은 사람의 사고, 행동, 결정에 영향을 미칩니다. 그것은 잠재의식적인 행동입니다.
대조적으로, 기억은 정보를 기억하고 유지하는 개인의 능력을 의미합니다. 좋은 기억력은 우리가 기술을 배우고, 문제를 해결하고, 성공하는 데 도움이 됩니다. 그러나 우수한 메모리를 갖기 위해서는 시스템 수준의 메모리 지원이 필요합니다.
시스템 수준 메모리는 새로운 지식을 획득하기 위한 프레임워크를 제공하기 때문에 메모리를 향상시킵니다. 새로운 것을 배울 때마다 우리는 대개 그것을 이전에 배운 것과 연결합니다. 이러한 연결은 우리가 새로운 정보를 더 잘 이해하고 기억하는 데 도움이 되는 견고한 지식 구조를 형성합니다.
또한 시스템 수준 메모리는 우리가 생각하는 방식에 영향을 미칠 수 있습니다. 긍정적인 문제 해결 태도를 키우면 더 명확하고 빠르게 생각하게 되어 정보를 유지하고 문제를 해결하는 것이 더 쉬워집니다. 반대로, 우리가 부정적이고 수동적인 태도를 갖게 되면 우리의 사고는 느리고 흐릿해져 기억력과 학습 능력이 저하됩니다.
그러므로 우리는 좋은 시스템 수준의 메모리를 기르기 위해 노력해야 하며, 이는 메모리와 성공률을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 긍정적인 방향으로 나아가고 이를 일상생활에 뿌리내림으로써 좋은 습관을 기르고, 긍정적이고 적극적인 문제 해결 태도를 형성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 우리는 시스템 수준의 메모리를 더 잘 활용하여 기억력과 학습 능력을 향상시킬 수 있습니다. 기억력 향상이 필요함을 알 수 있는데, 시스탄체 데저티콜라는 기억력 향상이라는 독특한 효능이 많은 중국 전통 약재이기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다진 고기의 효능은 산, 다당류, 플라보노이드 등 포함된 다양한 활성 성분에서 비롯됩니다. 이러한 성분은 다양한 방식으로 뇌 건강을 증진할 수 있습니다.
생쥐는 '가상' 공간 학습과 해당 경험의 신피질 표현을 개발하기 위해 온전한 해마가 필요합니다. 우리는 새로운 가상 환경이 해마에 심각한 손상을 입은 후 표면 피질에서 학습되거나 표현되지 않는 반면, 수술 전에 학습된 기억과 피질층 II-III의 해당 희박하고 광범위한 신경 앙상블 표현은 보존된다는 것을 발견했습니다. 기억 통합의. 이러한 발견은 기억 강화의 세포 메커니즘에 대한 향후 연구를 위한 새로운 창을 제공합니다.
소개
해마 형성의 손상은 새로운 '일화' 기억의 획득을 심각하게 손상시킵니다.1,2 이 현상은 신피질 연관 영역의 계층 구조의 최상위에 있는 해마의 위치와 관련이 있을 수 있으며, 피질 뉴런은 주어진 뉴런이 지원할 수 있는 연결 수를 훨씬 초과합니다(Schwindel & McNaughton, 2011, 검토용).3 이러한 연결 희소성은 실시간(특히 장거리 뉴런)에서 임의의 연관성을 형성하는 것이 어려울 수 있음을 의미합니다. 두 개의 임의의 활성 신피질 세포 사이에 필요한 시냅스는 아마도 이전에는 존재하지 않았을 가능성이 높습니다.
신피질은 해마의 공통적인 하향식 패턴에 의해 매개되는 현재 활성화된 뉴런 간의 간접적인 연관성의 빠른 형성을 통해 이 문제를 극복할 수 있습니다. 이 견해에 따르면 각각의 고유한 경험은 해마에서 해당 고유하고 희박한 패턴을 생성하며, 이는 현재 활성화된 피질 뉴런 세트에 대한 컨텍스트 또는 '인덱스'4-6 역할을 합니다. 이러한 패턴은 각 경험의 위치와 성격에 따라 고유합니다(예: Leutgeb et al.7). 해마('지수')에서 해당 활성 피질 세포('속성')로의 피드백 투영의 연관 가소성 ')는 메모리 속성의 후속 검색을 활성화합니다.
따라서 적어도 처음에는 기억이 피질 세포들 사이에서 직접 연결되는 것이 아니라 해마와 피질 사이의 연결로 인코딩됩니다. 일부 기억과 학습된 행동은 손상되지 않은 해마에 대한 의존성을 결코 잃지 않습니다. 그러나 일부는 시간이 지남에 따라 해마 손상에 대해 저항성을 가지게 되는데,8 이는 해마-피질 연결을 대체하기에 충분한 적절한 피질-피질 연결이 시간이 지남에 따라 발달하여 우세해진다는 것을 의미합니다.
이 과정은 또한 기억에서 피질의 '의미론적' 지식으로 구조를 추출하는 과정을 수반할 수 있으며,9-15 이는 일반적으로 해마 손실 후에도 살아남습니다. 이 기억 강화 과정의 행동 및 유전자 발현 역학에 대한 많은 연구가 있었지만, 피질에서 해마 독립적인 기억 표현의 본질과 위치에 대한 세포 인코딩 수준에서의 조사는 거의 없었습니다.
최근 연구에 따르면 일련의 위치(실제 또는 가상)를 탐색하는 동안 피질 뉴런, 특히 표면 피질에서 해마에서와 마찬가지로 신경 활동의 위치 상관 관계가 있는 희박한 시퀀스가 발생하는 것으로 나타났습니다.
손상되지 않은 생쥐에서 위치 상관 세포는 '공간' 단서가 부착된 런닝머신 벨트로 구성된 새로운 가상 '환경'에서 몇 번의 세션 내에 피질에 나타나지만 등쪽 해마 병변이 있는 생쥐에서는 제대로 발달하지 않습니다. 16,17 여기에서 우리는 수술 전 학습된 가상 환경의 표면 피질 표현이 해마 병변 이후에 해당 공간 기억과 마찬가지로 유지되는 반면, 동일한 마우스는 수술 후 새로운 환경을 학습하지도 않고 이를 위치 상관 세포로 나타내지도 않는다는 것을 보여줍니다. 표면 피질에서.
결과
2광자 Ca2+ 이미징은 등쪽 해마의 양측 병변 전후에 여러 시각-촉각 단서를 포함하는 런닝머신 벨트에서 머리를 고정하고 달리는 동안 생쥐의 신경 활동을 기록하는 데 사용되었습니다(그림 1; STAR 방법). 해마 마비(또는 가짜 수술) 전후에 동일한 '익숙한' 벨트에서 동물을 테스트했습니다. 다양한 큐 세트가 있는 '신규' 벨트는 '익숙한' 벨트를 (재)인식한 후 수술 전 및 수술 후(병변/가짜) 기간 동안 사용되었습니다. 우리는 비장후부 피질(RSC), 2차 운동 피질 및 1차 체성감각 피질의 세 가지 신피질 영역에서 신경 활동을 추적했습니다.
해마 병변은 가상 공간 환경 내 보상 위치에 대한 전행성 기억상실을 유발하지만 역행성 기억상실을 유발하지는 않습니다.
각 벨트에는 물 보상이 전달되는 특정 가상 위치가 있습니다(그림 1C). 수술 전 두 그룹 모두 친숙한 환경과 새로운 환경 모두에서 유사한 행동을 나타냈습니다. 그림 S2. 익숙한 벨트와 새로운 벨트의 수술 후 달리기 속도도 가짜 그룹과 병변 그룹 간에 유사했습니다. 수술 후 가짜 그룹과 병변 그룹은 실험 전반에 걸쳐 보상 포트를 핥기 위해 비슷한 횟수의 시도를 했습니다(그림 2- 왼쪽); 그러나 새로운 환경에서 핥기의 분포는 그룹 간에 크게 달랐습니다.
가짜 그룹의 경우 익숙한 환경과 새로운 환경 모두에서 압도적인 비율의 핥기가 보상 사이트에 집중되었습니다. 익숙한 환경에서 병변 그룹도 동일한 행동을 보였습니다. 그러나 새로운 환경에서는 병변이 있는 생쥐가 대부분 보상 영역 외부에서 공격을 받았습니다. (그림 2-가운데, 오른쪽). 따라서 수술 전 기억은 유지되었지만 새로운 환경에서의 학습은 심각하게 손상되었습니다. 이것이 메모리 통합 개념을 정의하는 특징입니다.
대뇌피질 뉴런은 해마 손상 후 익숙한 공간 환경의 인코딩을 유지하지만 새로운 환경의 인코딩은 형성되지 않습니다.
우리는 상대적으로 자유로운 기준(STAR 방법 참조)을 사용하여 세포를 '공간 선택적'으로 분류하고 세포의 '장소 필드'를 정의했습니다. 전반적으로, 선택성 임계값을 통과한 세포의 비율에서 3개의 피질 영역 중 어느 것에서도 그룹 간(병변 대 가짜) 또는 환경 간(F, N) 차이가 없었으며, 이는 이러한 자유 기준을 사용하여 전체적으로 약 40%였습니다. (그림 S3A). 그러나 새로운 환경의 경우 선택성 기준을 충족하는 세포는 전반적으로 공간적으로 덜 선택적이었고 병변 그룹에서 벨트를 인코딩하는 덜 균일한 인구를 집합적으로 형성했습니다(그림 3A 및 3B). 이 차이는 단일 필드가 아닌 여러 위치 필드를 갖는 병변 그룹 세포의 비율 증가와 관련이 있습니다(그림 S3B).
레이어 II-III 피질 위치 인코딩의 출현은 공간 선택성 임계값을 통과하는 모든 세포에 대해 뉴런당 공간 정보 콘텐츠 측정값을 사용하여 정량화되었습니다. 마지막 병변 전/가짜 세션과 첫 번째 수술 후 세션 사이의 30-일 휴식 시간에 약간의 망각이 예상되었습니다. 실제로, 익숙한 환경에서 공간 정보 콘텐츠가 시간에 따라 저하(망각)되었습니다. ; 그러나 익숙한 기억은 병변과 가짜 마우스 모두에서 세션을 통해 회복되었으며 그룹 간 차이는 없었습니다(그림3C-상단). 가짜 쥐는 새로운 환경의 피질 표현을 정상적으로 획득하는 것으로 나타났습니다(벨트 3). 그러나 병변 그룹은 RSC의 새로운 환경에서 공간 정보가 거의 나타나지 않았습니다(그림 3C-하단). 모든 피질 영역에서 뉴런의 공간 정보 내용은 익숙한 환경에 대한 가짜와 병변 간에 유사했지만, 이 양은 새로운 환경에 대한 병변 그룹에서 크게 감소했습니다(그림 3D 및 3E).
베이지안 디코더(STAR 방법)를 사용하여 랩별 디코딩 오류를 계산하여 인구 수준에서 공간 코딩의 신뢰성을 정량화했습니다. 수술 후 단계에서 동물의 위치에 따라 디코딩된 위치의 분포는 새로운 환경에서 병변 그룹의 디코더가 위치에 대한 덜 정확한 추정을 제공한다는 것을 나타냅니다(그림4A). 병변 그룹에서는 3개 피질 영역 모두의 새로운 환경에서 디코딩 오류가 실질적으로 증가했지만(2x) 가짜 그룹에서는 그렇지 않았으며 모든 그룹의 친숙한 환경에서는 없었습니다(그림 4B).
논의
전반적으로, 해마 병변은 새로운 가상 환경을 나타내는 위치 상관 세포의 출현을 심각하게 손상시키고 새로운 맥락에서 공간 학습을 유사하게 손상시키는 반면, 수술 전에 노출된 친숙한 환경의 표현과 해당 환경의 보상 위치에 대한 기억은 아끼지 않았습니다. . 새로운 환경에서 병변이 있는 쥐의 공간적으로 선택적 발화 활동은 두드러진 단서 근처에서 발화하는 쪽으로 편향되었습니다. 두드러진 단서에서의 비선택적 또는 약하게 선택적 반응은 새로운 환경의 병변이 있는 쥐에서 흔히 발생했으며, 이는 더 높은 공간 디코딩 오류에 기여했을 수 있는 다중 '장소' 필드를 발생시켰습니다.
병변 자체는 등쪽 해마의 50% 이상을 손상시켰지만 복부 해마는 대부분 그대로 두었습니다(그림 1E). 그러므로 많은 연구에서 공간 학습에 주로 필요한 것이 등쪽 해마이고 출력이 비장후피질에 초점이 맞춰져 있음이 밝혀졌지만 보존된 기억이 해마 유출과 완전히 독립적이라고 결론 내릴 수는 없습니다. 두 그룹 모두 감소를 보였습니다. 마지막 병변 전/가짜 시험과 첫 번째 병변 후/가짜 시험 사이의 30-일 간격 동안 익숙한 환경에 대한 공간 조정에 사용됩니다. 이것이 단순한 시간의 흐름 때문인지 아니면 수술 절차(예: 마취) 때문인지는 알려져 있지 않습니다. 그러나 이러한 역학은 이전 코딩의 일부 흔적이 보존된 반면 새로운 인코딩은 손상되었음을 나타냅니다. 30일 동안 공간 조정이 감소한 것에 대한 한 가지 가능한 설명은 손상되지 않은 해마가 피질에서 새로운 시냅스 연결을 형성할 수 있다는 것입니다. 이 연결은 시간이 지남에 따라 효능을 잃을 수 있지만 물리적으로 지속되어 피질에 다시 노출되면 다시 강화될 수 있습니다. 친숙한 환경.
또 다른 설명은 코딩이 피질의 더 깊은 층에 보존되어 있다는 것인데, 이 연구에서는 영상화에 접근할 수 없었습니다. 익숙한 환경에 다시 노출되는 것이 메모리 통합 프로세스에 필수적인 것은 아니라는 것은 잘 알려져 있습니다. 이는 서파수면과 같은 '오프라인' 기간에도 발생할 수 있습니다.4 그러나 통합된 프로세스를 검색하려면 해마가 없는 경우 재노출이 필요할 수 있습니다.
전반적으로, 현재의 결과는 손상되지 않은 해마가 표재 피질이 특정 행동 및 감각 맥락 하에서 특정 위치에 있는 경험에 대한 희박하고 선택적인 표현을 개발할 수 있게 하며 이러한 창발 신경 코드가 해마 손상 후에도 지속되어 새로운 학습을 방지할 수 있음을 보여줍니다. 유사한 조건 하에서 신경 및 행동 수준. 이러한 발견은 장기 해마 독립 기억의 세포 및 분자 기반을 연구하기 위한 새로운 틀을 제공합니다.
연구의 한계
제한된 샘플 크기를 감안할 때, 연속 기록일에 걸쳐 실험의 노출/재노출 단계 동안 관심 있는 3개 영역 중 단일 피질 영역만 합리적인 통계적 힘으로 평가할 수 있습니다. 우리는 등쪽 해마로부터 직접 투영을 받는다는 점을 고려하여 비장후피질을 선택했습니다.25-28 우리는 해마 병변 후, 비장후피질의 익숙한 환경에 대한 신경 표현이 반복적인 재노출을 통해 점차적으로 재획득되는 것을 관찰했습니다. 그러나 이는 다른 피질 영역이 더 빠른 속도로 복구될 수 있다는 사실을 배제하지 않습니다. 또한 분산된 영역 간의 교환이 이러한 복구에 기여할 수 있으며 이는 두 개 이상의 영역을 동시에 평가하지 않으면 확인할 수 없습니다. 따라서 해마 손실 후 공간 기억 흔적이 어떻게 다양한 피질 영역에 걸쳐 보존되고 '재강화'되는지는 아직 밝혀지지 않았습니다.
감사의 말
현미경 및 동물 사육 시설의 감독/관리를 담당한 M. Mohajerani 박사, 물류 지원을 담당한 Jennifer Tarnowsky, 기술 지원을 담당한 Valerie Lapointe 및 Karim Ali, IT 지원을 담당한 WestGrid 및 Compute Canada에 감사드립니다. BLM은 NIH 연구 프로젝트 보조금 프로그램(R01)의 자금 지원을 인정합니다 [no. NS121764], 국방고등연구계획국(DARPA) [no. HR0011-18-2-0021], 캐나다 자연과학 및 공학연구위원회(NSERC) [no. 1631465] 및 캐나다 보건 연구소(CIHR) [no. PJT 156040]. HC는 캐나다 대학원 박사 과정 장학금(NSERC CGS-D)의 지원을 받습니다.
저자 기여
IME와 BLM은 실험을 개념화했습니다. IME와 ARN이 실험을 수행하고 데이터를 수집했습니다. IME, HC, BLM이 데이터를 분석하고 해석했습니다. IME, HC 및 BLM이 원고를 작성했으며 모든 저자가 수정을 도왔습니다.
이해관계 선언
저자는 경쟁적 이해관계가 없음을 선언합니다.
참고자료
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