La codificació de la freqüència optogenètica de les oscil·lacions theta de l'hipocamp dissocia la recuperació de la memòria de treball dels codis espaitemporals de l'hipocamp Part 2

Combinant l'estimulació optogenètica de l'EM i la imatge de calci de l'hipocamp

Per estudiar els efectes de les manipulacions theta en els codis espacials i temporals de l'hipocamp, vam combinar l'estimulació optogenètica de l'EM amb imatges de calci a CA1. Aquest paradigma experimental planteja dues qüestions potencialment importants: els implants de lents GRIN impliquen danys en els teixits que podrien alterar l'estat fisiològic de les oscil·lacions theta, i l'espectre de longitud d'ona del LED d'excitació utilitzat per excitar GCaMP6f podria solapar-se amb el de l'opsina situada a les fibres terminals de les fibres MS GABAèrgiques en l'hipocamp.

L'hipocamp és una estructura molt important en el cervell. S'encarrega principalment d'emmagatzemar i processar la informació de la memòria. Com tots sabem, la memòria és una part important de les activitats intel·lectuals humanes i una manera important de comunicar-nos i interactuar amb el nostre entorn. Per tant, la funció de l'hipocamp és crucial per a les nostres vides.

L'espai de l'hipocamp és una manera de descriure com es processa la informació espacial al nostre cervell. Es refereix a l'àrea activa d'un grup de neurones del nostre cervell que processa la informació espacial. Aquesta zona s'anomena zona del parahipocamp i està molt relacionada amb el cavallet de mar. La investigació mostra que l'àrea propera a l'hipocamp processa informació relacionada amb l'espai i la memòria i és una part clau del nostre procés de memòria.

Concretament, el processament de la informació espacial per part de l'hipocamp inclou principalment dos aspectes. El primer aspecte és el nostre sentit de la direcció i la capacitat de navegar. Quan caminem, l'hipocamp registra els nostres passos i posició, mantenint la nostra orientació a l'espai. Si el nostre hipocamp està danyat, pot causar problemes com la desorientació o no poder trobar el camí cap a casa.

Un altre aspecte és la capacitat de memòria. Les persones utilitzen la informació espacial proporcionada per l'hipocamp per ajudar les persones a recordar. Si experimentem alguna cosa en un lloc determinat, l'hipocamp emmagatzemarà aquesta informació i podem conèixer aquestes experiències o persones a través de la memòria.

Estem enfortint constantment les nostres capacitats de memòria mitjançant l'aprenentatge, i l'hipocamp juga un paper crucial en aquest procés. Per la importància de l'hipocamp, hem de parar atenció a la seva salut i protegir-lo mitjançant alguns mètodes. El sudoku, córrer, aprendre noves habilitats, etc. poden millorar la nostra memòria i protegir la salut del nostre hipocamp.

Per tant, la dieta, l'exercici i mantenir un bon son ens poden ajudar a protegir el nostre hipocamp i millorar la nostra capacitat de memòria. Quan tenim la ment clara i la memòria forta, podem entendre millor el món i crear una vida millor. Es pot veure que hem de millorar la nostra memòria. Cistanche deserticola pot millorar significativament la memòria, perquè Cistanche deserticola també pot regular l'equilibri dels neurotransmissors, com ara augmentar els nivells d'acetilcolina i factors de creixement. Aquestes substàncies són molt importants per a la memòria i l'aprenentatge. A més, la carn també pot millorar el flux sanguini i promoure el lliurament d'oxigen, cosa que pot garantir que el cervell rebi suficients nutrients i energia, millorant així la vitalitat i la resistència del cervell.

Feu clic a Coneix suplements per augmentar la memòria

Per verificar si els implants de lents GRIN van alterar la fisiologia de la teta, primer vam implantar ratolins amb una lent GRIN a l'hipocamp dret i dos elèctrodes a l'hipocamp esquerre i dret, i vam trobar senyals theta comparables als dos hemisferis (Fig. 3a). Vam comparar les oscil·lacions theta durant l'exploració de camp obert en ratolins tant amb una lent GRIN com amb un elèctrode LFP connectat, amb ratolins només amb elèctrodes, i no vam trobar diferències significatives entre ambdós grups (Fig. 3b). No hem trobat cap diferència significativa entre la potència theta relativa en els ratolins implantats amb una lent GRIN i un elèctrode LFP (0,14 ± 0.007) versus només l'anelèctrode ( 0,154 ± 0,008; prova t, t54=1,060, p=0,29).

Tot i que informes anteriors han descrit que la combinació de l'estimulació optogenètica de ChrimsonR als cossos cel·lulars amb imatges de les inneurones GCaMP a les proximitats dels terminals és possible amb una diafonia mínima53, wenext va controlar qualsevol activació potencial d'opsina dels terminals d'EM a l'hipocamp registrant CA1- LFP mentre emet llum d'excitació amb el nostre miniscopi a través d'una lent GRIN. Després de calibrar la potència de sortida de llum del mini àmbit (Fig. 3c), no vam trobar cap efecte de la potència theta endògena de la llum d'excitació blava del mini-scopi (1ANOVA, F(4.295)= 0.7729, p=0.5435 Atès que s'ha informat que la llum d'excitació de l'àmbit mini pot induir una lleugera despolarització dels terminals transfectats amb ChrimsonR53, que pot dificultar la despolarització induïda per optogenètica, a continuació hem aplicat estimulacions MSoptogenètiques mentre fem imatges amb un ~0.3mW. Potència LED de mini abast / mm2 i van poder interrompre o ritme de manera significativa la teta mitjançant l'estimulació codificada o de 8 Hz, respectivament (prova de Friedman χ2=6.000, p=0.0278; Fig. 3e) .

La interrupció dels ritmes theta modula una petita part de les cèl·lules CA1

A continuació, vam realitzar estimulacions optogenètiques fàsiques (5 s ON, 5 s OFF) de MS mentre enregistràvem cèl·lules piramidals CA1 mentre els ratolins exploraven lliurement un camp obert (Fig. 4a). Vam trobar que una part de les cèl·lules enregistrades estaven excitades constantment en aquestes condicions, mentre que altres es van inhibir (Fig. 4b; vegeu Mètodes). L'activitat de les cèl·lules piramidals durant les estimulacions va ser generalment menor en comparació amb la línia de base, tant per a l'estimulació revoltada durant la carrera (correlació de Pearson, R2=0,567, p Menor o igual a 0.0 0{{20}}1)i períodes de repòs (R2=0,521, p Menor o igual a 0,0001), així com per a l'estimulació de 8 Hz (R{{{ 14}},6, p Menor o igual a 0,0001 per a períodes de descans; R2=0,632, p Menor o igual a 0,0001 per períodes en curs; n=1849 cel·les, N=5 ratolins; Fig. 4c). En general, ~ 6, 42 ± 0, 52% del total de cèl·lules es van modular significativament per estimulacions optogenètiques revoltes (Fig. 4d). Entre aquestes cèl·lules modulades, el 50, 56 ± 6, 38% es van inhibir mentre que el 49, 43 ± 6, 38% es van excitar (n=1849 cèl·lules, N=5 ratolins; Fig. 4e).

A continuació, vam analitzar els efectes de l'estimulació optogenètica en l'ajust espacial de les neurones de l'hipocamp mentre els ratolins exploraven lliurement el camp obert. Amb aquesta finalitat, vam calcular mapes de taxa d'activitat utilitzant qualsevol època dins o fora dels períodes d'estimulació (per a la condició inicial, vam incloure èpoques que seguien el mateix patró de 5 s ON, 5 s OFF utilitzat per a l'estimulació real; Fig. 4f). A continuació, es va calcular l'estabilitat com a correlació entre els mapes de velocitat per a les èpoques de referència i d'estimulació. Malgrat els canvis esmentats anteriorment en l'activitat general, els mapes de velocitat no mostraven cap canvi d'estabilitat espacial per a les estimulacions de codificació o 8 Hz (Kruskal–Wallis H3=3.5, p=0.1773; Fig. 4g).

L'estimulació optogenètica de l'EM altera el comportament però no els codis espaciotemporals

Per avaluar els efectes de la interrupció theta sobre els codis temporals i espacials, vam controlar l'activitat de la neurona piramidal CA1 a la pista lineal de to 3- (figura 5a). Aquí, aprofitem un dels principals avantatges de la imatge de calci, que és la capacitat de registrar cèl·lules enregistrades durant diversos dies mentre realitzem estimulacions revoltes o de 8 Hz en dies seleccionats (Figs. 5b, c, panell inferior). Hem centrat la nostra anàlisi en parells de dies amb la mateixa quantitat de temps (48 h) entre proves (Fig. 5c, panell superior). Per a cada condició, vam avaluar la porció de cèl·lules totals que codificaven de manera significativa una o diverses variables i no vam trobar cap efecte de l'estimulació de 8 Hz ni de l'estimulació codificada sobre la codificació espacial i temporal (RM-ANOVA; F2=0.807, p {{11). }}.453 per a l'efecte principal de les estimulacions; F6=1.283, p=0.285 per a la interacció entre l'estimulació i la variable codificada, n=5 ratolins; Fig. 5d).

Tot i que la porció de cèl·lules no va canviar en condicions d'estimulació, vam avaluar l'efecte de l'estimulació de l'EM sobre l'estabilitat de les corbes de sintonització de les cèl·lules modulades en lloc, temps i distància. Amb aquesta finalitat, es van fer un seguiment de les neurones durant els dies (Fig. 5c; vegeu Mètodes) i es van calcular l'estabilitat dels camps de lloc i temps com a correlació per parelles entre camps durant 48 h. Com que se sap que CA1 mostra una reasignació destacada al llarg dels dies, també hem utilitzat un parell de dies sense estimulació per calcular una puntuació d'estabilitat de referència per utilitzar-la com a referència (Fig. 5e-g). No hem trobat cap canvi en l'estabilitat durant l'estimulació de l'EM per a cèl·lules modulades en lloc (1ANOVA, F2=1.907, p=0.1511; n=205 parells de cèl·lules agrupades a partir de N=5 ratolins independents; Fig. 5h), cèl·lules modulades en el temps (1ANOVA, F2=2.201, p=0.113; n=227 parells de cèl·lules agrupades a partir de N=5independents ratolins; Fig. 5i) i cèl·lules modulades a distància (1ANOVA, F{27}}.6962, p=0.5024; n=64 parells de cèl·lules agrupades a partir de N=5 independents ratolins; Fig. 5j). També vam ampliar la mateixa anàlisi a les neurones conjuntives (és a dir, les neurones que poden codificar més d'una variable; Fig. 5a–f suplementària) i no vam trobar cap efecte de les estimulacions optogenètiques en l'estabilitat de l'espai conjuntiu (1ANOVA, F2=3.731, p=0,0661;N=4 ratolins independents; Fig. 5g suplementària), temporal (1ANOVA, F{2=1,993, p=0,8228; N {{47 }} ratolins independents; Fig. 5h suplementària) i cèl·lules de distància (1ANOVA, F2=0.469, p=0.6400; N=4 ratolins independents; Fig. 5i suplementària).

A continuació, vam avaluar la qualitat dels codis espaciotemporals mitjançant un classificador bayesià anaïu per descodificar la ubicació (Fig. 6a, b), el temps (Fig. 6cd) i la distància recorreguda (Fig. 6e, f), utilitzant mostres d'arrencada aleatòries (n {{3). }} mostres d'arrencada, n=160 cel·les per mostra). Els errors descodificats eren sistemàticament més baixos que els substituts barrejats, inclòs durant 8 Hz o estimulació codificada per a la ubicació (2ANOVA, F5=2172, p Menor o igual a 0.0001; n=50 mostres d'arrencada d'un ratolí representatiu; Fig. 6a), temps (2ANOVA, F5=1292, p Menor o igual a 0,0001; n=50 mostres d'arrencada d'un ratolí representatiu; Fig. 6c) i distància (2ANOVA, F5=1964, p Menor o igual a 0, 0001; n=50 mostres d'arrencada d'un ratolí representatiu; Fig. 6e) que indica que els codis espaciotemporals es van conservar durant l'estimulació. Per estimar la importància interindividual dels codis espaciotemporals, l'error de descodificació es va puntuar amb wez utilitzant tant els resultats reals com els shuffledres (vegeu Mètodes) per a un dia determinat, per a cada ratolí (Fig. 6b, d, f). El control optogenètic MS no va fer-ho. alterar significativament la codificació de la ubicació (1ANOVA, F2, 11=2.2332, p=0.1432; N=5 ratolins; mida de l'efecteη2=0.29; Fig. 6b), temps (1ANOVA, F2,11=0,4561, p=0,6452; N=5ratolins; mida de l'efecte η2=0,07; Fig. 6d) o distància ( 1ANOVA,F2,11=0.6102, p=0.5606; N=5 ratolins; mida de l'efecte η{2=0.09; Fig. 6f).

En el paradigma de comportament utilitzat per analitzar la modulació temporal de l'activitat neuronal, els ratolins estan programats amb aigua i entrenats per recollir recompenses. A partir d'aquesta hipòtesi, vam quantificar el nombre de retorns a un lloc de recompensa buit com a errors i vam calcular el percentatge de proves correctes respecte a les proves totals com a indicador del rendiment (figura 6g). En aquestes condicions, vam trobar un efecte significatiu de l'estimulació optogenètica sobre el rendiment durant els dies (test de Friedmanχ2=6.000, p=0.0278) i, en particular, una diferència significativa en el rendiment durant la línia de base. (78,70 ± 2,45%) i estimulació remenada (44,44 ± 5,56%; comparacions múltiples, p=0,0429; N=3 ratolins; Fig. 6h). En aquesta anàlisi només es van incloure ratolins amb un mínim de 12 execucions. A causa de les limitacions d'aquesta tasca (baixa càrrega cognitiva i un baix nombre de ratolins provats), a continuació ens vam proposar avaluar l'efecte de l'estimulació optogenètica de l'EM en tasques de memòria estandarditzades.

La interrupció dels senyals theta perjudica el reconeixement espacial i la recuperació de la memòria de treball

Per provar el paper dels senyals theta a la memòria espacial, vam utilitzar un grup dedicat de ratolins injectats amb ChrimsonR i implantats amb una fibra òptica a la MS (Fig. 7a, panell esquerre). Els ratolins van ser sotmesos a una tasca de reconeixement d'objectes novel·les (NPOR) (Fig. 7a, panell dret). Per avaluar el paper de les oscil·lacions theta en la codificació i la recuperació de la memòria, es mostra a la figura. 7|Les estimulacions optogenètiques de l'EM pertorben el manteniment i la recuperació, però no la codificació de la memòria episòdica i de treball. a Els ratolins es van implantar amb fibra òptica a l'EM després de transfectar ChrimsonR (a dalt). Després es van sotmetre a la nova tasca de reconeixement de llocs d'objectes (a sota, vegeu Mètodes). b En aquesta tasca, les estimulacions codificades (vermell) i 8 Hz (blau) durant la recuperació, així com les estimulacions de 8 Hz (verd) però no codificades (groc) durant la codificació van alterar el rendiment de la memòria (2ANOVA, F4, 31=3). 283 per a l'efecte principal del tractament, p=0.0097; mida de l'efecte per a l'efecte principal del grup, η2p=0.306; N=12 ratolins). c

Per examinar més l'efecte de l'estimulació de l'EM sobre la codificació, el manteniment i la recuperació de la memòria, els ratolins van ser entrenats en una tasca retardada que no coincideix amb la mostra (DNMTS) en un laberint T automatitzat. d Els ratolins transfectats amb ChrimsonR (vermell) o YFP (negre) van ser entrenats (en absència d'estimulació) per triar el braç correcte i no coincident fins que el rendiment superava un criteri de 0,8 porcions d'opcions correctes per dia, per almenys dos dies consecutius (banda verda; RM-ANOVA, F8=8.738,p Menor o igual a 0.0001 per a l'efecte principal dels dies d'entrenament; proves comparatives múltiples de Tukey per parelles entre grups, p=0.420; N=17 ratolins). e–g Rendiment durant l'estimulació en diferents fases de la tasca per a ratolins injectats amb controls ChrimonR (a dalt) o YFP (a baix). L'ombrejat vermell indica les regions estimulades del laberint. e Rendiment diari mitjà quan es realitzen estimulacions de MS només durant la codificació (RMANOVA, F11=2.197, p=0.547; N=17 ratolins). f Rendiment diari mitjà quan es realitzen estimulacions amb EM només durant el període de retard de 10 s (RM-ANOVA, F11=3.483, p=0.0495; mida de l'efecte per a l'efecte principal del tractament, η2p {{{ 25}}.109; N=17 ratolins).g Rendiment diari mitjà quan es realitzen estimulacions de MS durant la recuperació sols (RM-ANOVA, F11=3.265, p=0.050; N {{ {33}} ratolins).

Tots els diagrames de barres i de línies representen la mitjana ± SEM d'almenys tres experiments independents. Article https://doi.org/10.1038/s41467-023-35825-5Comunicacions de la natura|(2023) 14:410 10va realitzar estimulacions optogenètiques específicament durant les fases de mostra i prova i va calcular l'índex de reconeixement (RI; vegeu Mètodes). Quan es va estimular durant la recuperació, el rendiment de la memòria es va reduir significativament tant per als ratolins codificats (0,472 ± 0.048 RI, n {{10}} ratolins) i 8 Grups d'estimulacions Hz (0,435 ± {{4{0}},057 RI, n=6 ratolins), en comparació amb els controls YFP que van mostrar un augment significatiu en l'exploració d'objectes durant les proves (0,61 ± 0,018 RI; 2ANOVA, F4,31=3,283 per a l'efecte principal del tractament, p=0,0097; mida de l'efecte per a l'efecte principal del grup, η2p=0,306; N {{30 }} ratolins; Fig. 7b). D'altra banda, les estimulacions codificades durant la codificació no van perjudicar la memòria en el moment de la prova (0,60 ± 0,034 RI, p=0,0157, n=6 ratolins), però l'estimulació de 8 Hz durant la codificació va reduir el rendiment de la memòria als nivells d'atzar. (0,39 ± 0,074 RI, p=0,8740, n=6 ratolins).

Per examinar l'efecte del control optogenètic de la MS en fases específiques de la funció de memòria de treball (codificació, manteniment i recuperació), els ratolins es van transfectar amb ChrimsonR i es van implantar amb fibra òptica a la MS i es van entrenar en una tasca retardada que no coincideix amb la mostra (DNMTS). . En la fase de mostra, els ratolins es van veure obligats a córrer cap al braç designat aleatòriament per recollir una recompensa. Després d'un retard (10 s), podrien córrer al braç contrari (opció correcta) per rebre una altra recompensa o córrer al mateix braç sense recompensa (braç incorrecte; figura 7c). L'avantatge d'aquesta tasca és permetre proves repetitives, aïllament específic de les fases de la tasca (entrenament, retard, proves) i controls dins del subjecte. Els ratolins es van entrenar en aquesta tasca sense estimulació fins que es va assolir un rendiment de criteri de 0,8 (una part dels assaigs correctes) durant almenys dos dies. Tant els ratolins de control ChrimsonR com els YFP van mostrar una millora significativa al llarg del temps (RM-ANOVA, F8=8.738,p Menor o igual a 0.00{{21} }1 per a l'efecte principal dels dies de formació). És important destacar que no hem trobat diferències en la taxa d'aprenentatge entre els dos grups (Tukey per parelles; p=0,420; Fig. 7d). Un cop els ratolins van aprendre la regla associada a la tasca DNMTS, vam avaluar el rendiment mentre s'ofereix una codificació (0,792 ± 0.045) o 8 Hz (0. 850 ± 0.{036) estimulació optogenètica només en la fase de codificació (elecció forçada) i no va observar cap diferència en el rendiment en comparació amb la línia de base (0,825 ± 0.030, RMANOVA, F11=2.197, p=0.547, N=17; Fig. 7e). Quan es va estimular només durant el període de retard, només les estimulacions revoltes van disminuir significativament el rendiment de la memòria (0,733 ± 0,057) en comparació amb la línia de base (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3,483, p=0,0495; mida de l'efecte; per a l'efecte principal del tractament, η2p=0.109; Fig. 7f). En canvi, quan es van estimular durant la recuperació, els ratolins estimulats amb 8 Hz van mostrar un rendiment de memòria significativament reduït (0,675 ± 0,049) en comparació amb la línia de base (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3,265, p=0). 050; Fig. 7g). En canvi, els ratolins de control YFP no es van veure afectats per les estimulacions durant la codificació (RM-ANOVA, F2=0.1314, p=0.8781), el període de retard (RMANOVA, F{2=0.2020, p=0.8197), o recuperació (RM-ANOVA, F2=0.0454, p=0.9557; mida de l'efecte per a l'efecte principal del tractament, η2p=0 .196) de memòria de treball.

El control optogenètic de les neurones de l'EM no altera la locomoció

És important destacar que anteriorment es va informar que les oscil·lacions de ritme theta podrien disminuir la velocitat locomotora i la seva variabilitat10, cosa que podria explicar almenys en part els efectes de les estimulacions optogenètiques en la memòria de treball i episòdica. Per avaluar a fons l'especificitat de l'estimulació optogenètica de l'EM a la memòria, vam realitzar experiments addicionals per descartar els efectes directes de les estimulacions optogenètiques sobre la velocitat locomotora. Es va permetre a un subconjunt de ratolins injectats amb ChrimsonRand implantat amb fibra òptica a la MS, així com els elèctrodes LFP inCA1, explorar lliurement un camp obert mentre se sotmetia a estimulacions optogenètiques de 5 s ON, 5 s OFF (figura suplementària 6a). Estimulació de 8 Hz. va provocar un ritme constant de les oscil·lacions de l'hipocamp a aquesta freqüència (figura suplementària 6b). Aquestes estimulacions no estaven associades amb cap canvi aparent en el comportament locomotor (figura suplementària 6c), inclosa la velocitat mitjana (test no aparellat, de dues cues, t116=0.4140, p=0.6796; figura suplementària. 6d) i coeficient de variació de velocitat (CV; prova t de dues cues no aparellades, t116=0.8296,p=0.4095, n=59 èpoques d'estimulació; figura suplementària 6e) . De la mateixa manera, l'estimulació revoltada va conduir constantment a l'abolició d'oscil·lacions theta (figura suplementària 6f), però sense canvis aparents en el comportament locomotor (figura suplementària 6g), inclosa la velocitat mitjana (prova t de dues cues no aparellades, t118=0.2268). , p=0.8210; n=60 èpoques d'estimulació; Fig. 6h suplementària) i velocitat CV (prova t de dues cues no aparellades, t118=1.838, p {{36 }}.686; n=60 èpoques d'estimulació; Fig. 6i suplementària).

Tot i que la freqüència teta natural i la velocitat locomotora estan correlacionades59, la direcció exacta de la causalitat entre aquestes variables segueix sent poc entesa. Per respondre a aquesta pregunta, realitzem una estimulació edoptogenètica mitjançant un paradigma 5s ON, 5s OFF i es va seleccionar una freqüència aleatòria per a cada època d'estimulació (figura suplementària 6j). Aquestes freqüències d'estimulació cobrien la totalitat de l'espectre thetaband (figura suplementària 6k). Com era d'esperar, vam trobar que les freqüències d'oscil·lacions theta naturals estan directament correlacionades amb la velocitat d'execució d'un exemple de ratolí (R 2=0.1114, p Menor o igual a 0.0001; Figura suplementària 6l). És important destacar que quan la freqüència d'oscil·lació theta resulta del control MSoptogenètic, la correlació cau per sota del nivell d'atzar (R2=0.0006779, p=0.6244; Fig. 6m suplementària), cosa que suggereix que la locomoció dicta la freqüència theta, però no la contrari. Hem replicat sistemàticament aquests resultats en ratolins i hem observat una caiguda en la correlació entre la freqüència theta i el control de l'estimulació suboptogenètica de la velocitat locomotora (prova t aparellada, t3=3.922, p=0.0295; N {{20} }} ratolins; figura suplementària 6n). En conjunt, aquests resultats avalen que la nostra estimulació optogenètica no altera el comportament locomotor, la qual cosa és molt rellevant per als propers assajos de comportament.

For more information:1950477648nn@gmail.com