해마 세타 진동의 광유전학적 주파수 스크램블링은 해마 시공간 코드에서 작업 기억 검색을 분리합니다 1부
Nov 06, 2023
뇌 활동의 정확한 시간적 조정은 기억 기능의 기본이라고 생각됩니다. 내측 중격에 있는 억제 뉴런은 해마에 대한 신경 분포의 중요한 원천을 제공하고 해마 세타(~8Hz) 진동을 제어하는 데 중요한 역할을 합니다. 내측 중격 뉴런의 약리학적 억제는 기억을 방해하는 것으로 알려져 있지만, 해마 표현과 기억을 조절하는 중격 억제 뉴런의 정확한 역할은 완전히 이해되지 않았습니다.
뇌 활동과 기억 사이의 관계는 밀접한 관련이 있습니다. 우리의 기억은 우리가 생각하고 느끼고 행동하는 방식을 제어하는 신체의 주요 기관 중 하나인 뇌의 작동과 밀접하게 연결되어 있습니다. 따라서 더 나은 기억력을 갖고 싶다면 뇌를 더 효율적으로 사용해야 합니다.
먼저, 우리의 뇌가 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다. 우리 뇌의 기억 센터인 해마라는 부분이 있습니다. 처리된 정보를 장기 기억으로 변환하여 우리 뇌에 저장하는 역할을 담당합니다. 해마의 기능에 영향을 미치는 요인은 주로 뇌의 혈액순환과 신경세포의 양과 질이다.
둘째, 뇌의 활동을 유지하는 데 주의를 기울여야 한다. 지속적으로 새로운 것을 학습함으로써 뇌는 정보 처리 및 기억 회상에 더 자주 참여하여 해마 건강을 촉진하고 기억력 향상을 촉진합니다. 그러므로 우리는 책을 읽고, 언어를 배우고, 기억력을 훈련하는 등 두뇌 활동을 유지하고 기억력을 향상시킬 수 있습니다.
마지막으로, 좋은 생활 습관을 유지하는 데 주의를 기울여야 합니다. 예를 들어, 충분한 수면을 취하고, 균형 잡힌 식사를 하고, 규칙적으로 운동하는 것은 건강한 뇌와 신체를 촉진하여 기억력을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
즉, 뇌 활동과 기억은 밀접한 관련이 있습니다. 우리는 여러 측면에서 뇌의 건강과 훈련을 촉진하여 기억력을 향상시키고 삶과 일에서 다양한 문제에 대처할 수 있습니다. 기억력을 향상시켜야 함을 알 수 있습니다. Cistanche Deserticola는 많은 독특한 효과를 가지고 있는 전통 중국 약재이기 때문에 우리의 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그 중 하나는 기억력을 향상시키는 것입니다. 다진 고기의 효능은 산, 다당류, 플라보노이드 등 포함된 다양한 활성 성분에서 비롯됩니다. 이러한 성분은 다양한 방식으로 뇌 건강을 증진할 수 있습니다.
여기서 우리는 전광학 심문 및 기록 접근법을 사용하여 시공간 코딩 및 메모리에서 세타 리듬의 역할을 분리합니다. 우리는 광유전학적 주파수스크램블링 자극이 세타 진동을 없애고 해마의 뉴런 일부를 조절한다는 것을 발견했습니다. 이러한 자극은 해마 시공간 코드를 그대로 유지하면서 일화 기억 및 작업 기억 검색을 감소시켰습니다. 우리의 연구는 세타 리듬이 기억에 필수적인 역할을 하지만 해마의 시공간 코드에는 필요하지 않을 수도 있음을 시사합니다.
신경 활동의 정확한 시간적 조정은 기억 인코딩 및 검색에 기본이 되는 것으로 생각됩니다. 특히, 내측 중격(MS)은 하류 구조에 대한 주요 역할을 하며 해마에 가장 큰 피질하 입력을 제공하는 것으로 제안되었습니다1. MS는 콜린성4 및 소수의 글루타메이트성 뉴런5,6과 함께 주로 파발부민(PV) 양성 뉴런3인 GABAergic2로 구성된 신경화학적으로 이질적인 구조입니다.
MS PV 세포는 해마 피라미드 세포3의 피드포워드 억제 제어를 발생시키는 해마의 GABA성 간세포에 직접 투사됩니다. 또한, 해마 내의 PV 개재뉴런은 세타(~8Hz) 리듬을 조절하는 데 필수적이며, MS PV 뉴런을 직접적으로 또는 해마에 있는 터미널의 광유전학적 자극은 해마 진동의 주파수별 페이싱과 관련이 있는 반면, 생체 내에서 MS를 억제하는 것은 세타 진동 전력 감소와 관련이 있습니다.
완전한 MS 광유전학적 억제는 공간 기억 장애14와 연관되어 있지만, 이러한 효과는 잠재적으로 기억에 중요한 것으로 알려진 콜린성 기능의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 최근에는 비콜린성 MS PV 세포의 활동이 메모리 인코딩 및 검색에 필요합니다. 특히, 해마는 일화기억과 작업기억의 핵심 구조이기도 합니다. MS는 해마 세타 리듬을 생성하고 유지하는 데 필수적이므로 MS 활동의 중단은 하류 해마 생리학 및 작업 기억에 영향을 미칠 가능성이 있습니다22.
해마 의존성 기억의 정확한 생리적 메커니즘은 현재 알려져 있지 않지만, 주어진 맥락의 특정 위치를 암호화하는 해마 장소 세포가 에피소드 기억을 지원할 수 있다고 제안되었습니다. 해마 하위 필드 CA1에서 공간 조정은 상황에 따른 감각 입력에 따라 달라집니다. 시간 및 거리와 같은 다른 변수는 시각적 안내 운동 중에도 인코딩될 수 있지만 감각 신호가 없는 경우에도 자체 동작을 포함한 내부 정보를 사용할 가능성이 높습니다(검토를 위해 Mehta30 및 McNaughton31 참조).
시간과 공간의 표현은 해마 뉴런에서 결합적으로 표현될 수 있으며, 이러한 다중화된 시공간 코드는 작업 기억 32-34의 후보 기질이 될 수 있습니다. 런닝머신35-37을 사용하거나 가상 현실 패러다임26,27,38을 사용하여 원위 시각적 신호를 클램핑하는 것 외에도 공간, 시간 및 거리를 구현하는 일반화된 선형 모델을 사용하여 시공간 코드도 분석적으로 추출되었습니다. 그러나 이러한 접근법은 자유 탐사 중 신경 활동 기록에 광범위하게 사용되지 않았습니다.
여러 연구에 따르면 세타 리듬은 해마 활동을 긴밀하게 조율하기 때문에 해마 세타 리듬이 시간 코드의 기초가 될 수 있다고 합니다. 작업 기억이 필요하지 않은 작업을 수행하는 설치류의 CA1과 CA3 모두에서 시간 세포가 보고되었지만41, MS의 약리학적 억제는 시간의 특정 중단을 초래하지만 장소 세포는 그렇지 않으며 작업 기억 감소와 관련이 있습니다. 약리학적 접근법의 중요한 단점은 기억 기능에 대한 GABA성 세포와 콜린성 세포의 상대적인 기여를 구별하지 못한다는 것입니다. 특히, MS 콜린성 활동의 억제는 해마 공간 표현을 변경하고 작업 기억 성능을 감소시키는 것으로 나타났습니다44,45. 놀랍게도 MS의 약리학적 억제는 세타 진동 전력 감소와 관련이 있었지만 자리장은 그렇지 않았으며 감소된 세타 동안 장소 세포 활동의 탄력성은 경험 관련 가소성 메커니즘으로 인한 것이 아닙니다.
특히 광유전학을 사용하여 MS GABA성 개재뉴런을 억제하려는 이전 시도는 세타 신호의 부분적인 감소만 연관되었을 뿐 완전한 중단과 관련이 없었습니다13. 결과적으로, 세타 진동의 광유전학적 속도는 발사 주파수9 및 위상48의 약간의 변화를 포함하여 위치세포 특성의 사소한 변화와만 연관되어 왔습니다. 또한 MS 입력이 해마 시간 코드를 직접 제어할 수 있다는 가설이 있지만 인과 관계에 대한 증거는 여전히 부족합니다. 오늘날까지 해마 시공간 코드와 기억을 조율하는 데 있어서 MS-PV 뉴런의 정확한 역할은 알려지지 않았습니다.
여기에서 우리는 광유전학을 사용하여 MS PV 활동을 제어하여 적색 편이 흥분성 옵신을 사용하여 세타 진동의 속도를 조절했습니다. 우리는 MS 뉴런의 광유전학적 주파수 스크램블링 자극을 기반으로 해마 테타르리듬을 완전히 폐지하는 접근 방식을 제안합니다. 또는 동일한 동물의 자연 주파수에서 세타 리듬을 조절하면 피험자 내 제어가 제공됩니다. 순차적 톤으로 선형 트랙을 달리는 생쥐의 CA1 피라미드 세포의 칼슘 이미징과 광유전학적 제어를 결합했습니다.
이러한 조건에서 우리는 정보 이론 접근법을 사용하여 장소, 시간 및 거리 셀을 분리할 수 있습니다. 세타 신호의 광유전학적 주파수 스크램블링을 수행할 때 장소와 시간 표현이 모두 보존되었으며 CA1 피라미드 세포의 작은 하위 집합만 자극에 의해 변조되었습니다. 우리는 다음으로 세타 진동의 절제가 손상된 작업 기억 검색과 관련되어 있음을 발견했습니다. 이는 MS PV 세포가 기억 검색에 필요하지만 시공간 표현에는 관여하지 않는 해마 세타 진동을 생성하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 암시합니다.
결과
CA1 피라미드 세포는 시공간 정보를 인코딩합니다.
CA1 주요 세포 집단의 시공간 코드를 조사하기 위해 우리는 해마 CA1 영역의 CamKII 프로모터 아래 GCaMP6fast를 발현하는 바이러스 벡터를 주입하고 주입 부위 위에 aGRIN 렌즈를 이식하고 오픈 소스 미니스코프를 사용하여 피라미드 뉴런의 칼슘 이미징 기록을 수행했습니다. , 50 (그림 1a, b, 자세한 조직학은 보충 그림 1 참조). CNMFe51을 사용하여 뉴런의 공간 발자국(그림 1c)과 해당 칼슘 과도 현상(그림 1d)을 추출했습니다. 주요 세포의 공간적 및 시간적 조정 특성을 분석하기 위해 우리는 트랙 양쪽 끝의 모션 센서에 의해 트리거되는 3가지 톤 큐와 선형 트랙을 결합하는 작업을 개발했습니다. 각 실행이 끝날 때마다 새로운 신호음이 즉시 트리거되어 쥐에게 보상 전달을 향한 진행 상황을 알렸습니다.
네 번째 실행마다 선형 트랙 끝에서 보상 전달과 관련된 고음의 연속 톤으로 신호가 전달되었습니다(그림 1e). 보상 사이트를 떠난 이후 경과 시간 및 이동 거리와 함께 각 마우스의 절대 위치를 모니터링했습니다(그림 1f). 이러한 변수와 이진화된 신경 활동을 사용하여 우리는 확률적 조정 곡선(그림 1g)을 계산하고 신경 활동과 위치, 시간 및 기록된 각 세포의 거리 사이의 상호 정보(MI)를 도출했습니다. 상관 기반 분석과 달리 MI는 신경 활동과 행동 변수 사이의 선형적이고 단조로운 관계를 가정하지 않고 오히려 한 변수가 다른 변수로 설명할 수 있는 불확실성의 정도를 표현합니다.
MI 값의 중요성은 칼슘 과도 현상의 시간 역학을 보존하기 위해 순환 순열(n{{0}})을 거친 섞인 대체를 사용하여 테스트되었습니다. 95%의 시간(p가 0.05보다 작거나 같음)의 셔플된 서로게이트보다 큰 MI를 갖는 하나의 변수만 인코딩한 뉴런은 장소 변조(공간), 시간 변조(시간) 또는 거리 변조로 표시되었습니다(참조: 행동 양식). 다음 분석을 위해 우리는 하나의 중요한 변수만 인코딩하는 후보 셀에 중점을 두었습니다(그림 1h). 중요한 것은 시간 변조 세포가 특정 위치에서 체계적으로 활성화되지 않았으며 장소 변조 세포가 주어진 시간에 체계적으로 활성화되지 않았다는 것입니다 (그림 1i, j).
단일 변수를 인코딩하는 대부분의 세포는 위치 변조된 반면, 뉴런의 상당 부분은 두 개 이상의 변수를 인코딩하는 결합 뉴런이었습니다(17.98 ± 1.77%). 대조적으로 셀 인코딩 장소는 전체 기록 인구의 9.02 ± 1.61%를 독점적으로 나타냈고, 1.79 ± 0.68% 선택적으로 인코딩된 거리와 1.27 ± 0.09%의 선택적으로 인코딩된 시간을 나타냈습니다(그림 1k; 추가 정보 내용과 함께 시간, 공간 또는 거리에 맞춰 조정된 뉴런의 예는 보충 그림 2에 나와 있습니다.
우리의 정보 이론적 접근 방식은 하나의 변수만 크게 인코딩하는 셀을 분리하여 중복되는 변수를 풀 수 있지만 위치를 디코딩하기 위해 naiveBayesian 분류기를 사용하여 시공간 변수를 인코딩할 때 각 셀 유형의 관련성을 추가로 테스트했습니다(그림 1l-n). (그림 1o–q) 및 선형 트랙에서 이동한 거리(그림 1r–t)52.
우리는 실제 또는 순환적으로 섞인 이진화 활동을 사용하여 계산된 신경 활동과 부트스트랩 조정 곡선을 고려하여 최대 사후(MAP) 값을 계산하여 각 마우스의 현재 상태를 추정했습니다(그림 1l, o, r, 자세한 프로토콜 방법 참조). 예측의 품질은 혼란 행렬(그림 1m, p, s)을 사용하고 예측 상태와 실제 상태 사이의 유클리드 및 거리(그림 1n, q, t)를 계산하여 평가되었습니다. 중요한 것은 베이지안 디코더가 16.58cm의 평균 오류를 산출했는데, 이는 섞인 서로게이트(5{{1{16}}}}.95cm; 쌍을 이루는 t-검정, t4=19.75)에서 디코딩할 때보다 훨씬 낮았습니다. ,p 0.0001)보다 작거나 같고, 공간적으로 변조된 셀을 사용한 디코딩은 비공간적으로 변조된 셀을 사용할 때보다 훨씬 더 정확했습니다(쌍 t-검정, t4=34.54, p 덜 0.0001 이상, 그림 1n). 마찬가지로 경과 시간에 대한 평균 디코딩 오류는 6.45초로, 이는 섞인 서로게이트를 사용하여 계산된 오류(19.12초; 쌍을 이루는 t-test,t4=18.01, p 0.0001보다 작거나 같음)보다 상당히 낮습니다.
시간 변조 셀을 사용한 디코딩은 비시간 변조 셀에 비해 훨씬 더 나은 정확도를 제공했습니다(쌍 t-검정, t4=3.163, p=0.0341;그림 1q). . 마지막으로, 우리 디코더를 사용한 평균 거리 오류는 61.40cm로, 이는 셔플링된 서로게이트의 오류(189.6cm; t-test, t4=28.79, p Less than or equal to 0.0001)보다 상당히 낮았습니다. 거리 변조 셀을 사용한 디코딩은 거리 변조되지 않은 셀에 비해 오류가 상당히 낮았습니다(t-테스트, t{22}}.595,p=0.0101; 그림 1t).
세타 진동의 선택적 MS 광유전학적 제어
MS에서 생성된 세타 신호가 해마 시공간 코드에 상대적으로 기여하는지 조사하기 위해 MS에서 적색편이 흥분성 옵신 ChrimsonR을 형질감염시켰습니다(그림 2a). Inhibitoryopsin과 달리 ChrimsonR을 사용하면 피험자 내에서 세타 신호를 뒤섞거나 속도를 조절할 수 있습니다. 또한 ChrimsonR은 널리 사용되는 Channelrhodopsin-2보다 더 효과적이며 광유전학과 칼슘 이미징을 결합하는 기능을 제공합니다53. PV 세포의 14.91 ± 3.57%가 ChrimsonR을 발현했는데, 이는 해마 진동에 대한 전반적인 제어를 발휘하기에 충분하다는 것을 알았습니다(n=4 마우스, 그림 2b, c). 대조적으로, 우리는 ChAT 세포에서 ChrimsonR의 발현이 거의 없음을 발견했습니다(ChAT 세포의 1.05 ± 1.052%도 ChrimsonR을 발현했습니다; 그림 2d, e).
그런 다음 MS 위에 광섬유를 마우스에 이식했습니다. CA1에서 국소 필드 전위(LFP)를 기록하는 동안 638nm 레이저 자극을 수행했습니다(그림 2f). 우리는 MS 스크램블 및 8Hz 광유전학적 자극이 각각 세타 진동을 방해하거나 속도를 높일 수 있음을 발견했습니다(그림 2g). 기본 자연 세타는 4~12Hz 주파수 대역에서 일부 주파수 가변성을 표시하는 반면, 8Hz 자극은 해당 주파수에서 일관되고 안정적인 해마 진동을 가져왔습니다. 대조적으로, 스크램블링된 자극은 세타 리듬을 일관되게 폐지했습니다(그림 2h).
우리는 세타 대역(방법 참조)의 진동 강도(OS)가 기준 시대에 비해 스크램블 자극({{0}}.45 ± 0.01)에 의해 크게 감소했음을 발견했습니다. (0.67 ± {{10}}.01,p 0보다 작거나 같습니다.00{ {29}}1) 백색잡음 제어신호의 OS와 유의한 차이가 없었습니다(0.50 ± 0.01, p=0.99). 반면, 8Hz 자극은 스크램블 자극에 비해 세타 전력을 크게 증가시켰습니다(0.82 ± 0.01, p 0.0001 이하, n=59 epoch, 그림 2i). 또한 자극 패턴과 LFP 주파수 대역(F{25}}.467, p 0.0001 이하) 사이에 중요한 상호 작용이 있음을 발견했습니다. 특히, 스크램블된 주파수 자극은 세타 전력(기준 세타 대역 전력의 0.341 ± 0.06 부분; p=0.0394, 쌍별 t-검정)을 크게 감소시킨 반면, 8Hz 자극은 세타 전력(기준 세타 대역 전력의 3.302 ± 0.76 부분)을 크게 증가시켰습니다. , p=0.0004, pairwise t-test; 그림 2j) 다른 주파수 대역은 변경되지 않은 채로 둡니다.
우리의 칼슘 영상 및 전기 생리학적 분석에는 운동 기간(방법 참조)만 포함되었지만 운동 상태에 관계없이 세타 진동(보조 그림 3a, b) 또는 속도(보조 그림 3a, c)를 안정적으로 폐지할 수 있음을 발견했습니다. 휴식 기간 포함). 자연 세타 OS는 운동 속도와 상관 관계가 있지만(Pearson R2=0.059, p=0.001; n=179 독립 시대, 보충 그림 3d), 세타를 폐지하면 이러한 손실이 발생합니다. 8Hz 자극(PearsonR{15}}.0008, PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 독립적인 시대, 보충 그림 3f)는 운동 상태가 세타 진동에 대한 광유전학적 자극의 효과를 무시하지 않았음을 시사합니다.
해마의 날카로운 파동 잔물결(SWR)은 기억 강화54-56에서 필수적인 역할을 하며 MS 콜린성 뉴런의 자극은 잔물결 활동 감소57 및 작업 기억 장애45와 관련이 있습니다. MS 콜린성 뉴런에서 ChrimsonR의 발현이 거의 발견되지 않았지만 MS 광유전학적 자극이 리플 생리학에 미치는 영향을 측정하는 것이 필수적이었습니다. 이를 위해 우리는 CA1-LFP를 기록하고 개방형 필드를 탐색하는 자유롭게 행동하는 마우스에서 5초 ON 및 5초 OFF 스크램블 광유전학 자극을 수행했습니다(보충 그림 4a). 우리는 스크램블 자극 전과 도중에 리플 이벤트의 속성을 측정한 결과 전력의 변화를 발견하지 못했습니다(페어링되지 않은 양측 t-테스트, t6=0.076, p=0.941; 보충 그림 4b, 왼쪽). 패널), 발생 빈도(페어링되지 않음, 양측 테스트, t6=-1.688, p=0.142; 보충 그림 4c, 왼쪽 패널) 또는 너비(페어링되지 않음, 양측 테스트) t-테스트, t6=0.124, p=0.905; 보충그림 4d, 왼쪽 패널).
마찬가지로, 8Hz 광유전학적 자극을 적용해도 리플 전력에 눈에 띄는 영향이 없었습니다(비쌍, 양측 t-검정, t6=0.378, p= 0.718, 보충 그림 4b, 오른쪽 패널). 빈도(쌍이 없는, 양측 t-검정, t{{10}} −1.643, p=0.151; 보충그림 4c, 오른쪽 패널) 및 너비(쌍이 없는, 양측 t-검정) t-테스트, t6=-0.138,p=0.894; 보충 그림 4d, 오른쪽 패널). 우리의 조직학적 결과와 MS 콜린성 뉴런의 광유전학적 자극이 SWR의 발생을 감소시킨다는 이전 보고서와 함께, 우리는 이러한 광유전학적 자극이 해마에 대한 콜린성 입력에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다.
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