Konsolidace reprezentací buněčné paměti v povrchovém neokortexu
Nov 23, 2023
SOUHRN
Konsolidace paměti na systémové úrovni, klíčový koncept ve výzkumu paměti, zahrnuje konverzi vzpomínek, jejichž formování závisí na hipokampu, do účinných forem nezávislých na hipokampu, pravděpodobně kódovaných kortikokortikálními spojeními. Přesto se málo rozumí povaze konsolidovaných nervových kódů na úrovni buněčného souboru.
Vzpomínky na systémové úrovni odkazují na preference nebo vzorce chování, které si člověk vyvine v raném věku a časem se prohloubí. Paměť na úrovni systému ovlivňuje myšlení, jednání a rozhodování člověka. Je to podvědomé chování.
Naproti tomu paměť označuje schopnost člověka vybavit si a uchovat si informace. Dobrá paměť nám pomáhá učit se dovednosti, řešit problémy a dosáhnout úspěchu. Abychom však měli vynikající paměť, potřebujeme podporu paměti na úrovni systému.
Paměť na úrovni systému zlepšuje naši paměť, protože nám poskytuje rámec pro získávání nových znalostí. Kdykoli se učíme nové věci, obvykle je spojujeme s tím, co jsme se naučili dříve. Toto spojení tvoří pevnou znalostní strukturu, která nám pomáhá lépe porozumět a zapamatovat si nové informace.
Paměť na úrovni systémů může navíc ovlivnit způsob, jakým přemýšlíme. Pokud si vypěstujeme pozitivní přístup k řešení problémů, budeme myslet jasněji a rychleji, což nám usnadní uchování informací a řešení problémů. Naproti tomu, pokud si vypěstujeme negativní, pasivní postoj, naše myšlení bude pomalé a rozmazané, což omezuje naši paměť a schopnosti učení.
Proto bychom se měli snažit pěstovat dobrou paměť na systémové úrovni, což pomůže zlepšit naši paměť a úspěšnost. Dobré návyky si můžeme vypěstovat tím, že se budeme ubírat pozitivním směrem a začleníme je do našeho každodenního života, čímž si vytvoříme pozitivní a proaktivní přístup k řešení problémů. Tímto způsobem můžeme lépe využít paměť na úrovni systému ke zlepšení naší paměti a schopností učení. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola je tradiční čínský léčivý materiál, který má mnoho jedinečných účinků, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinnost mletého masa vychází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně kyselin, polysacharidů, flavonoidů atd. Tyto složky mohou různými způsoby podporovat zdraví mozku.
Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť
Myši vyžadují neporušený hipokampus pro „virtuální“ prostorové učení a pro rozvoj neokortikálních reprezentací odpovídajících zkušeností. Zjistili jsme, že zatímco nové virtuální prostředí není v povrchové kůře po vážném poškození hipokampu ani naučeno ani reprezentováno, předoperačně naučené vzpomínky a jejich odpovídající řídké a rozšířené reprezentace nervového souboru v kortikálních vrstvách II–III jsou zachovány, což je sine qua non konsolidace paměti. Tato zjištění poskytují nové okno pro budoucí studium buněčných mechanismů konsolidace paměti.
ÚVOD
Poškození hipokampální formace vážně narušuje získávání nové, „epizodické“ paměti.1,2 Tento fenomén může souviset s postavením hipokampu na vrcholu hierarchie oblastí neokortikální asociace a se skutečností, že počet kortikálních neuronů daleko převyšuje počet spojení, která může daný neuron podporovat (Schwindel & McNaughton, 2011, pro přehled).3 Tato řídkost spojení znamená, že vytváření libovolných asociací v reálném čase (zejména těch na dlouhé vzdálenosti) by bylo obtížné, protože nezbytné synapse mezi jakýmikoli dvěma libovolnými aktivními neokortikálními buňkami dříve s největší pravděpodobností neexistovaly.
Neokortex může tento problém překonat rychlou tvorbou nepřímých asociací mezi svými aktuálně aktivními neurony, zprostředkovanými běžným vzorem shora dolů z hippocampu. Podle tohoto pohledu každá jedinečná zkušenost generuje odpovídající jedinečný, řídký vzorec v hippocampu, který slouží jako kontext nebo „index“4–6 k souboru aktuálně aktivních kortikálních neuronů. Tyto vzorce jsou jedinečné pro umístění a povahu každé zkušenosti (např. Leutgeb et al.7). Asociativní plasticita ve zpětných projekcích z hippocampu ("index") k odpovídajícím aktivním kortikálním buňkám ("atributy" ') by umožnilo následné načtení atributů paměti.
Tedy alespoň zpočátku se paměť zakóduje jako spojení mezi hipokampem a kůrou, spíše než přímo mezi kortikálními buňkami. Některé vzpomínky a naučené chování nikdy neztratí svou závislost na neporušeném hipokampu; některé se však časem stanou odolnými vůči poškození hipokampu8, což naznačuje, že vhodná kortiko-kortikální spojení, dostatečná k náhradě za hippocampo-kortikální, se časem vyvinou a stanou se dominantními.
Tento proces může také doprovázet extrakci struktury z paměti do „sémantických“ znalostí kůry9–15, které obecně přežívají hippocampalloss. I když bylo provedeno mnoho studií dynamiky chování a genové exprese tohoto procesu konsolidace paměti, na úrovni buněčného kódování bylo provedeno jen málo zkoumání povahy a umístění takových reprezentací paměti nezávislých na hippocampu v kůře.
Nedávné studie ukázaly, že během průchodů sekvencí lokací (buď skutečných nebo virtuálních) se v kortikálních neuronech, zejména v povrchové kůře, vyvinou řídké, polohově korelované sekvence neurální aktivity,16–19 podobně jako v hippocampu.
U intaktních myší se buňky korelované s polohou objevují v kortexu během několika sezení v novém virtuálním „prostředí“ sestávajícím z pásu běžícího pásu s připojenými „prostorovými“ podněty,20 ale u myší s dorzálními hipokampálními lézemi se vyvíjejí špatně. 16,17 Zde ukazujeme, že povrchové kortikální reprezentace předoperačně naučeného virtuálního prostředí jsou zachovány po hipokampálních lézích, stejně jako odpovídající prostorová paměť, zatímco tytéž myši se neučí pooperačně nové prostředí, ani ho nereprezentují jako buňky korelující s pozicí v povrchové kůře.
VÝSLEDEK
Dvoufotonové Ca2+ zobrazení bylo použito k záznamu nervové aktivity u myší během běhu s fixovanou hlavou na běžeckých pásech obsahujících několik vizuálně-taktilních podnětů (obrázek 1; metody STAR), před a po bilaterálních lézích dorzálního hipokampu. Zvířata byla testována na stejném ''známém'' pásu před a po hipokampalzích (nebo simulovaných operacích). „Nové“ pásy s různými sadami podnětů byly použity pro předoperační a pooperační (léze/falešná) období po (znovu) seznámení se s „známým“ pásem. Sledovali jsme aktivitu neuronů ve třech neokortikálních oblastech: retrospleniální kůra (RSC), sekundární motorická kůra a primární somatosenzorický kortex.
Hipokampální léze způsobuje anterográdní, ale ne retrográdní amnézii na místa odměny ve virtuálních prostorových prostředích
Každý pás měl konkrétní virtuální místo, kam byla dodávána vodní odměna (obrázek 1C). Předoperačně obě skupiny vyjadřovaly podobné chování ve známém i novém prostředí Obrázek S2. Pooperační rychlosti běhu ve známých a nových pásech byly také podobné mezi skupinami s falešnou a lézí. Pooperačně skupiny s falešnou a lézí provedly srovnatelný počet pokusů o lízání odměny v průběhu experimentu (obrázek 2- vlevo, odjet); distribuce lízání v novém prostředí se však mezi skupinami výrazně lišila.
U falešné skupiny byla převážná část lízání soustředěna na místě odměny ve známém i novém prostředí. Stejné chování vykazovala skupina s lézí ve známém prostředí; v novém prostředí však myši s lézemi olizovaly většinou mimo zónu odměny. (Obrázek 2-uprostřed, vpravo). Předoperační paměť tak byla zachována, ale učení v novém prostředí bylo vážně narušeno. Toto je definující rys konceptu konsolidace paměti.
Kortikální neurony zachovávají kódování známého prostorového prostředí po hipokampale, ale kódování nového prostředí se nevytvoří
Použili jsme relativně liberální kritéria (viz Metody STAR) pro kategorizaci buněk jako „prostorově selektivní“ a pro definování buněk „umístit pole“. Celkově nebyly v žádné ze tří kortikálních oblastí žádné rozdíly mezi skupinami (léze versus simulace) nebo mezi prostředím (F, N) v podílu buněk, které prošly prahem selektivity, který byl s těmito liberálními kritérii celkově asi 40 %. (Obrázek S3A). Avšak pro nové prostředí byly buňky splňující kritéria selektivity celkově mnohem méně prostorově selektivní a společně tvořily méně uniformní populaci kódující pás ve skupině s lézemi (obrázky 3A a 3B). Tento rozdíl souvisel se zvýšením podílu buněk skupiny lézí s vícenásobným polem míst namísto jednoho (obrázek S3B).
Vznik kódování kortikální polohy vrstvy II–III byl kvantifikován pomocí měření obsahu prostorových informací na základě neuronů21 pro všechny buňky, které překročily práh prostorové selektivity. Určité zapomenutí se očekávalo v 30-denní přestávce mezi posledním předléze/falešným sezením a prvními pooperačními sezeními. Ve známém prostředí skutečně došlo k časově závislé degradaci (zapomenutí) obsahu prostorových informací ; avšak známá paměť se obnovila během sezení u myší s lézí i falešných myší, bez rozdílu mezi skupinami (obrázek 3C nahoře). Falešné myši vykazovaly normální akvizici kortikální reprezentace nového prostředí (pás 3); avšak skupina s lézemi vykazovala velmi málo prostorových informací v novém prostředí v RSC (obrázek 3C-dole). Ve všech kortikálních oblastech byl obsah prostorových informací neuronů podobný mezi simulací a lézí pro známé prostředí, zatímco toto množství bylo významně sníženo ve skupině lézí pro nové prostředí (obrázky 3D a 3E).
Spolehlivost prostorového kódování na úrovni populace jsme kvantifikovali výpočtem chyby dekódování lap-by-lapposition pomocí bayesovského dekodéru (STAR Methods). Během pooperační fáze distribuce dekódované polohy jako funkce polohy zvířete ukazuje, že dekodér ze skupiny lézí v novém prostředí poskytuje méně přesný odhad polohy (obrázek 4A). Došlo k podstatnému zvýšení (2x) chyb dekódování v novém prostředí ve všech třech kortikálních oblastech, ve skupině s lézemi, ale ne ve skupině s falešnou analýzou, a žádný ve známém prostředí v žádné skupině (obrázek 4B).
DISKUSE
Celkově, zatímco hipokampální léze vážně narušily vznik polohově korelovaných buněk představujících nové virtuální prostředí a podobně narušily prostorové učení v tomto novém kontextu, byla ušetřena prezentace předoperačně exponovaného známého prostředí a paměť na umístění odměny v tomto prostředí. . Prostorově selektivní vystřelovací aktivita myší s lézemi v novém prostředí byla zaměřena na střelbu v blízkosti hlavních signálů. Neselektivní nebo slabě selektivní reakce na hlavních vodítkách byly u myší s lézí v nových prostředích běžné, což dalo vzniknout vícenásobným místům, která mohla přispět k vyšší chybě prostorového dekódování.
Samotné léze poškodily 50 % nebo více dorzálního hipokampu, ale ventrální hipokampus zůstaly z velké části nedotčené (obrázek 1E). Nemůžeme tedy dojít k závěru, že uchovaná paměť byla zcela nezávislá na hipokampálním odtoku22, ačkoli mnoho studií ukazuje, že je to dorzální hipokampus, který je převážně nezbytný pro prostorové učení23,24 a jehož výstup je zaměřen na retrospleniální kortex.25–28 Obě skupiny vykazovaly pokles v prostorovém ladění pro známé prostředí během 30-denního intervalu mezi poslední pre-lézí/falešnou studií a první post-lézí/falešnou studií. Není známo, zda to bylo kvůli pouhému plynutí času nebo chirurgickému zákroku (např. anestezii); tato dynamika však naznačuje, že určitá stopa předchozího kódování byla zachována, zatímco nové kódování bylo narušeno. Jedním z možných vysvětlení poklesu prostorového ladění během 30 dnů je, že neporušený hipokampus umožňuje tvorbu nových synaptických spojení v kůře, která mohou časem ztratit účinnost, ale fyzicky přetrvávat, takže mohou být znovu zesílena po opětovném vystavení známé prostředí.
Dalším vysvětlením je, že kódování je zachováno v hlubších vrstvách kůry, které nebyly v těchto studiích přístupné zobrazení. Je dobře známo, že opětovné vystavení známému prostředí není nezbytné, aby došlo k procesu konsolidace; mohou k nim také docházet během „offline“ období, jako je pomalý spánek.4 Vyhledání konsolidovaných procesů však může vyžadovat opětovné vystavení v nepřítomnosti hippocampu.
Současné výsledky celkově ukazují, že intaktní hipokampus umožňuje povrchové kůře vyvinout řídké, selektivní reprezentace zážitku z pobytu na konkrétních místech za konkrétního chování a smyslového kontextu a že tyto vznikající neurální kódy přetrvávají i po poškození hipokampu dostatečném k tomu, aby zabránily novému učení neurální a behaviorální úrovně za podobných podmínek. Tato zjištění poskytují nový rámec pro studium buněčných a molekulárních základů dlouhodobé paměti nezávislé na hippocampu.
Omezení studia
Vzhledem k omezené velikosti vzorku mohla být během expozičních/reexpozičních fází experimentů posuzována pouze jedna kortikální oblast ze tří zájmových oblastí s rozumnou statistickou silou během po sobě jdoucích dnů záznamu. Retrospleniální kortex jsme zvolili s ohledem na skutečnost, že dostává přímé projekce z dorzálního hipokampu.25–28 Pozorovali jsme, že po hippokampální lézi se neuronální reprezentace známého prostředí v retrospleniálním kortexu postupně znovu získává opakovanými reexpozicemi. To však nevylučuje skutečnost, že jiné kortikální oblasti se mohou zotavovat rychleji. Kromě toho mohou k tomuto zotavení přispět výměny mezi distribuovanými oblastmi, které nelze určit, pokud nejsou současně hodnoceny dvě nebo více oblastí. Zbývá tedy určit, jak jsou stopy prostorové paměti zachovány a ''znovu potencovány'' napříč různými kortikálními oblastmi po ztrátě hipokampu.
PODĚKOVÁNÍ
Děkujeme Dr. M. Mohajerani za dohled/správu mikroskopu a zařízení pro chov zvířat, Jennifer Tarnowsky za logistickou podporu, Valerie Lapointe a Karim Ali za technickou podporu a WestGrid a Compute Canada za IT podporu. BLM uznává financování z grantového programu NIH Research Project (R01) [č. NS121764], Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) [č. HR0011-18-2-0021], Rada pro výzkum přírodních věd a inženýrství Kanady (NSERC) [č. 1631465] a Kanadské instituty pro výzkum zdraví (CIHR) [č. PJT 156040]. HC je podporován Kanadskými postgraduálními stipendii pro doktorský program (NSERC CGS-D).
AUTORSKÉ PŘÍSPĚVKY
IME a BLM konceptualizovaly experiment. IME a ARN provedly experimenty a shromáždily data. IME, HC a BLM analyzovaly a interpretovaly data. IME, HC a BLM napsali rukopis, který všichni autoři pomohli revidovat.
PROHLÁŠENÍ O ZÁJMECH
Autoři prohlašují, že nemají žádné konkurenční zájmy.
REFERENCE
1. Scoville, WB, a Milner, B. (1957). Ztráta nedávné paměti po bilaterálních hippokampálních lézích. J. Neurol. Neurochirurg.Psychiatrie 20, 11–21.https://doi.org/10.1136/jnnp.20.1.11.
2. Yonelinas, AP, Kroll, NEA, Quamme, JR, Lazzara, MM, Sauve´, MJ, Widaman, KF a Knight, RT (2002). Účinky rozsáhlého poškození temporálního laloku nebo mírné hypoxie na paměť a znalost. Nat.Neurosci. 5, 1236–1241.https://doi.org/10.1038/nn961.
3. Schwindel, CD a McNaughton, BL (2011). Hipokampální-kortikální interakce a dynamika tracereaktivace paměti. Prog. Brain Res. 193, 163–177.https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53839-0.00011-9.
4. McNaughton, BL (2010). Kortikální hierarchie, spánek a extrakce znalostí z paměti. Artif. Intell. 174 205–214.https://doi.org/10.1016/j.artint.2009.11.013.
5. Teyler, TJ a DiScenna, P. (1986). Teorie indexování paměti hippocampu. Chování. Neurosci. 100, 147–154. https://doi.org/10.1037/0735-7044.100.2.147.6. Teyler, TJ a Rudy, JW (2007). Teorie hippocampu a epizodická paměť: aktualizace indexu. Hippocampus17, 1158–1169.https://doi.org/10.1002/hipo.20350.
7. Leutgeb, S., Leutgeb, JK, Barnes, CA, Moser, EI, McNaughton, BL a Moser, M.-B. (2005). Nezávislé kódy pro prostorovou a epizodickou paměť v hippocampalneuronálních souborech. Věda 309, 619–623.https://doi.org/10.1126/science.1114037.
8. Sutherland, RJ a Lehmann, H. (2011). Alternativní koncepce konsolidace paměti a role hippocampu na systémové úrovni u hlodavců. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 446–451.https://doi.org/10.1016/j.conb.2011.04.007.
9. Frankland, PW, and Bontempi, B. (2005). Organizace nedávných a vzdálených vzpomínek. Nat. Neurosci. 6, 119–130. https://doi.org/10.1038/nrn1607.10. Marr, D. (1970). Teorie pro cerebrální kortex. Proč. R. Soc. Londýn. B Biol. Sci. 176 161–234.
For more information:1950477648nn@gmail.com
