Čichová žárovka moduluje oscilace entorhinální kůry během prostorové pracovní paměti

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Abstraktní

Kognitivní funkce jako napřpracovníPaměťvyžadují integrovanou aktivitu mezi různými oblastmi mozku. S úspěšnou úlohou pracovní paměti je spojena zejména aktivita entorhinální kůry (EC). Oscilace čichových bulbů (OB) jsou známé jako rytmy, které modulují rytmickou aktivitu v rozšířených oblastech mozku během kognitivních úkolů. Protože OB je strukturálně spojen s EC, předpokládali jsme, že OB by mohl modulovat aktivitu EC během výkonu pracovní paměti. Zde jsme prozkoumali funkční konektivitu OB–EC během výkonu prostorové pracovní paměti současným zaznamenáváním potenciálů místního pole, když krysy prováděly úlohu Y-bludiště. Naše výsledky ukázaly, že koherence oscilací v pásmu delta, theta a gama mezi OB a EC byla zvýšena během správných studií ve srovnání s nesprávnými studiemi. Analýza křížové frekvenční vazby odhalila, že modulační účinek nízkofrekvenční fáze OB na výkon a fázi EC gama byl zesílen, když zvířata správně provedla úlohu pracovní paměti. Příliv informací z OB do EC byl také zvýšen v pásmech delta a gama v rámci správných zkoušek. Tato zjištění ukázala, že modulační vliv OB rytmů na EC oscilace může být nezbytný pro úspěšný výkon pracovní paměti.

Klíčová slova: Čichový bulbus, Entorhinální kůra,PracovníPaměť, Funkční konektivita

PozadíPracovníPaměťje pracovní prostor pro dočasné ukládání a aktivní manipulaci s informacemi pro průběžné rozhodování [1–3]. Úspěšný výkon pracovní paměti závisí na organizované komunikaci mezi oblastmi mozku [1–3]. Entorhinální kůra (EC) je součástí systému mediálního temporálního laloku a je umístěna jako „brána“ mezi neokortikálními oblastmi a hipokampem.PaměťSystém[4]. Ukázalo se, že EC funguje jako dočasný buffer příchozích informací do hipokampu [5]. Studie lézí také ukázaly, že ablace EC narušuje výkonnost pracovní paměti [6–8]. EC je tedy pravděpodobně klíčová pro úspěšný výkon pracovní paměti [9].

cistanches herbaproimunitu

Entorhinální kůra je úzce spojena s čichovým bulbem (OB); senzorická informace se z OB dostává přímo do EC a obchází thalamus, na rozdíl od jiných senzorických systémů [10, 11]. Apikální dendrity ve vrstvě II/III pyramidální a hvězdicové v laterální části buněk EC přijímají výběžky z mitrálních buněk OB [12, 13]. Na druhé straně oscilace OB a jejich spojení s jinými oblastmi mozku korelují s kognitivními funkcemi [14, 15]. Odstranění nebo poškození OB vede ke kognitivním poruchám, jako jsou úkoly pozornosti, referenční paměť, opožděná shoda, reverzní paměť a deficity pracovní paměti [16–18]. Bylo naznačeno, že nízké gama oscilace OB jsou výrazné během stavu vědomí a mají zásadní roli v synchronizaci nervových obvodů souvisejících s prostorovou deklarativní pamětí [19, 20]. Vysoké gama oscilace OB jsou však při spontánním průzkumu v novém prostředí periodičtější [20]. Protože aktivita OB a EC přispívá k funkci paměti, zdá se, že interakce mezi oscilacemi OB a EC může hrát roli v úspěšném výkonu pracovní paměti. K dnešnímu dni není k dispozici žádná studie k posouzení funkční konektivity mezi OB a EC během výkonu pracovní paměti.

Elektrofyziologické výzkumy prokázaly, že funkční konektivita v oblastech mozku může být zásadní pro kognitivní chování [21]. Oscilační spojení mezi různými oblastmi mozku usnadňuje meziregionální komunikaci, která je nezbytná pro zpracování informací během chování [22]. Specificky je cross-frequency coupling (CFC) považován za optimální kódování podporující přenos informací během kognitivního výkonu, včetně pracovní paměti [22, 23]. Proto síla funkčního spojení mezi oblastmi mozku může představovat mozkový kód aktivace paměťového okruhu.

cistanche bienfaitsproimunita

Morteza Salimi1, Farhad Tabasi1,2, Milad Nazari3, Sepideh Ghazvineh1, Alireza Salimi4, Hamidreza Jamaati4 a Mohammad Reza Raoufy1,2

Ústav fyziologie, Fakulta lékařských věd, Univerzita Tarbiat Modares, Teherán, Írán

Celkově jsme předpokládali, že OB oscilace koordinují činnost EC, která zprostředkovává výkon pracovní paměti. Zkoumali jsme funkční konektivitu OB–EC během úlohy s pracovní pamětí simultánním zaznamenáváním lokálních potenciálů pole (LFP), když se potkani spontánně střídali v Y-bludišti. Te OB–EC obvodová koherence byla vypočítána pro vyhodnocení frekvenčně specifické funkční konektivity, když krysy prováděly úlohu pracovní paměti. Deset, řešili jsme modulační účinek OB nízkofrekvenční fáze na EC vysokofrekvenční fázi a výkon pomocí CFC analýz. Nakonec je příliv informací z OB do EC měřen Grangerovou kauzalitou.

Metody

Tento experiment byl proveden na samcích potkanů ​​Wistar bez patogenů o hmotnosti 210–230 g (9–10 týdnů) získaných ze zvířátka Tarbiat Modares University (Teherán, Írán). Potkani byli chováni ve standardních zařízeních pro výzkum zvířat, ve kterých bylo k dispozici jídlo a voda. Pro implantaci elektrody byla indukována anestezie pomocí ketaminu/xylazinu (100 mg/kg a 10 mg/kg, v daném pořadí) a hlava byla fixována. Dále dvě záznamové elektrody z nerezové oceli (průměr 127 µm, AM system Inc., USA) implantované do OB (AP: 8,5 mm, ML: - 1 mm, DV: - 1,5 mm) a laterální části EC ( AP: - 7,04 mm; L: - 5,5 mm; DV: - 6,5 mm). Pro potvrzení umístění elektrody byla provedena léze na místě elektrody, mozek zvířete byl fixován 4% paraformaldehydem a byla připravena 200 μm koronální část mozku. Řezy mozku byly porovnány s odpovídajícími řezy vizuálně v atlasu mozku potkana (obr. 1b) [24].

Po 2 týdnech zotavení z chirurgického zákroku, pro záznam signálů LFP, byla přední zásuvka upevněna na hlavy zvířat, která byla připojena k miniaturnímu stupni vyrovnávací hlavy s vysokou vstupní impedancí (BIODAC-A, TRITA Health Tec., Teherán, Írán). Signály byly zesíleny (zesílení 1000), digitalizovány při 1 kHz a filtrovány dolní propustí<250 hz="" via="" ac="" coupled="" with="" the="" recording="" system="" (biodac="" esr18622,="" trita="" health="" technology="" co.,="" tehran,="" iran).="" ten,="" we="" recorded="" lfp="" signals="" simultaneously="" from="" ob="" and="" ec="" of="" rats="" spontaneously="" alternating="" in="" the="" y-shaped="" maze.="" te="" signals="" are="" processed="" offline="" using="" custom-written="" matlab="" software="" (math="" works="" inc.,="">

Pro úkol s prostorovou pracovní pamětí bylo vybráno bludiště z černého plexiskla ve tvaru Y o délce 50 cm, šířce 10 cm a výšce 25 cm. Zvířata byla 2 po sobě jdoucí dny zvykána v bludišti. Dále byla zvířata jednotlivě umístěna do středu jedné paže, dále označené jako paže A, což jim umožnilo volně zkoumat po dobu 10 minut. Spontánní alternace byly počítány podle předchozího protokolu pracovního hodnocení [25]. Stručně řečeno, správný výkon byl definován jako střídání zvířat do nové paže (tj. návštěva z A do B nebo C, která jsou označena do jiných paží). Kromě toho jsou chybné pokusy považovány za cestu zpět do dříve zkušené paže, jako je pohyb ABA. Všechny pohyby byly zaznamenávány videokamerou na stropě, která byla synchronizována se záznamem LFP. Krysy se špatně umístěnými elektrodami nebo ty, které nemohly úkol provést, byly ze studie vyloučeny. Všechny postupy byly v souladu s pokyny NIH pro péči a používání laboratorních zvířat (2011) a schváleny etickou komisí Fakulty lékařských věd Univerzity Tarbiat Modares (IR.MODARES.REC.1398.037).

Zpracování signálu

Použili jsme specifickou epochu signálů zaznamenaných během výkonu prostorové pracovní paměti v Y-bludišti. Každá epocha byla vybrána 1 s před a během zvířecího průzkumu středu bludiště, a to jak pro správné, tak pro špatné pokusy. Identifikovali jsme deltu (<4 hz),="" theta="" (4–12="" hz),="" low-gamma="" (30–50="" hz),="" and="" high-gamma="" (50–80="" hz)="" via="" applying="" low-="" and="" bandpass="" filtering="" (fig.="" 1a).="" to="" calculate="" ob="" and="" ec's="" coherence,="" computed="" magnitude-squared="" coherence="" by="" the="" mscohere="" function="" in="" matlab="" was="" used.="" phase-power="" analysis="" was="" done="" by="" first="" obtaining="" the="" lfp="" phase="" by="" computing="" hilbert's="" transform="" phase="" of="" the="" filtered="" signal="" in="" low="" frequencies="" (delta="" and="" theta)="" bands="" and="" gamma="" power="" calculated="" using="" the="" spectrogram="" with="" one="" sample="" time="" step.="" ten,="" we="" binned="" the="" low-frequency="" phases="" into="" 120="" bins,="" each="" 3°="" wide,="" and="" the="" average="" power="" of="" gamma="" samples="" was="" calculated="" in="" each="" bin.="" coupling="" strength="" was="" expressed="" as="" the="" resultant="" length="" vector,="" which="" was="" the="" average="" of="" power="" vectors="" in="" the="" low-frequency="" phases.="" finally,="" to="" soften,="" we="" used="" the="" gaussian="" kernel="" with="" a="" standard="" deviation="" of="" 10="" and="" a="" size="" of="" 100="" [26,="">

Vazba mezi fázemi byla vypočtena podle naší nedávné studie [28]. Stručně, vypočítáme matici, jejíž prvek (i, j) představuje podíl celkového počtu v časových vzorcích, které jsou OB fáze při nízkofrekvenčních (delta a theta) oscilacích umístěny na úhlovém bin čísle I současně s fází EC vysoké frekvence (gama 1 a 2) v úhlovém binu čísla j. Pro vyhodnocení přílivu informací z OB do EC jsme měřili Grangerův index kauzality. Tato analýza je založena na myšlence, že oscilace v jedné oblasti mozku pomáhají předpovídat ostatní [29]. V tomto ohledu jsme použili metodu částečné řízené koherence (PDC), předpokládali jsme, že minulá znalost „příčiny“ zlepšila předpověď současného stavu „účinku“, na rozdíl od predikce, která využívá pouze minulé účinky. Nejprve jsme zkoumali stacionaritu všech signálů a odhadli pořadí autoregresního modelu (p=100) pomocí Akaikeova informačního kritéria pro výpočet PDC. Dále jsme výpočtem koeficientů autoregresního modelu přenesli koeficienty do frekvenční oblasti pomocí diskrétní Fourierovy transformace [30–35].

cistanche erektilní dysfunkcevimunita

Statistická analýza

Pro statistické analýzy byl použit GraphPad Prism (GraphPad Software, San Diego, CA). Normalita distribuce dat byla hodnocena pomocí Kolmogorovova–Smirnovova testu v rámci každého parametru. Pro srovnání dat byl použit párový t-test. Statistická významnost byla definována jako úrovně nižší než 0,05.

Výsledek

OB oscilace jsou koherentní s EC během správných výkonnostních zkoušek prostorové pracovní paměti

Současně jsme zaznamenali LFP z OB a EC během spontánního střídání v Y-bludišti, abychom studovali konektivitu OB–EC obvodu ve výkonu prostorové pracovní paměti. Pozorovali jsme, že koherence OB–EC v rozmezí delta a theta během správných studií byla významně vyšší než u nesprávných studií (p<0.05; fig.="" 2a–c).="" in="" addition,="" the="" coherence="" of="" gamma="" 1="" (30–50="" hz)="" and="" gamma="" 2="" (50–80="" hz)="" oscillations="" of="" the="" ob–ec="" circuit="" was="" significantly="" higher="" during="" correct="" spatial="" working="" memory="" performance=""><0.05, fig.="" 2d–f).="" therefore,="" the="" enhanced="" coherence="" at="" both="" low="" and="" high="" frequencies="" in="" the="" ob–ec="" circuit="" is="" associated="" with="" correct="" spatial="" working="" memory="">

Fáze OB silně moduluje výkon a fázi EC při správném výkonu pracovní paměti

Pozorovali jsme, že fáze jak delta, tak theta oscilací v OB silně moduluje výkon gama v EC během správných pokusů (obr. 3). Vazba OB nízkofrekvenčních fází s EC gama-2 fázemi byla významně zvýšena nesprávně ve srovnání se špatnými pokusy (obr. 4). Nebyly však zjištěny žádné znatelné změny v OB–EC delta nebo theta gama-1 fázovém uzamčení během správných vs. špatných zkoušek. Celkově tato analýza odhalila, že EC gama oscilace závisí na fázovém přechodu signálů OB, když zvířata správně provedla úlohu pracovní paměti.

Při správném výkonu pracovní paměti se příliv informací z OB do EC zvýšil

Dále jsme zkoumali, zda EC oscilace jsou kauzálně spojeny s OB signály, zatímco zvířata prováděla úlohu prostorové pracovní paměti. Grangerova analýza kauzality odhalila, že příliv informací z OB do EC při gama oscilacích se zvýšil, když potkani provedli správný výkon v rámci úlohy pracovní paměti (obr. 5). Tyto výsledky podporují myšlenku, že OB není pouze modulační, ale má také náhodný vliv na EC při správném výkonu pracovní paměti.

Diskuse

Naše výsledky odhalily, že koherence OB–EC se zvýšila v pásmech delta, theta a gama během pokusů se správnými úlohami s prostorovou pracovní pamětí. Navíc fáze nízkých frekvencí OB měla více modulační účinek na EC gama výkon a fázi během úspěšného výkonu pracovní paměti. Kromě toho byl příliv informací z OB do EC zvýšen, když zvířata správně provedla úlohu pracovní paměti.

Koherentní aktivita je charakteristickým znakem neuronových sítí během kognitivního výkonu, což vyžaduje strukturální spojení neuronů [36]. Vzhledem k tomu, že OB a EC mají monosynaptická spojení a jejich aktivity jsou značně spojeny s pracovní pamětí, předpokládali jsme, že vylepšená konektivita v obvodu OB–EC může představovat správný výkon. Abychom otestovali tuto hypotézu, hodnotili jsme funkční konektivitu OB–EC, když potkani prováděli úlohu Y-bludiště. Naše analýza ukázala, že oscilace OB v nízko- i vysokofrekvenčních rozsazích jsou silně koherentní s EC aktivitou, když potkani reagovali správně. Bylo publikováno, že koherentní oscilace v nízkofrekvenčních rozsazích, včetně delta a theta, zprostředkovávají interakci mezi oblastmi mozku při rozsáhlých kognitivních úlohách, jako je výkonnost paměti [37, 38]. Kromě toho se také předpokládá, že koherentní oscilace na vysoké frekvenci spojují distribuovaná neuronová shromáždění, což je funkce, která je pravděpodobně důležitá pro síťové procesy [39–41]. Zde zjištění koherence poukazují na úzkou komunikaci mezi OB a EC za účelem podpory výkonu pracovní paměti.

Přibývá důkazů prokazujících, že aktivita OB strhává oscilace LFP v rozšířených oblastech mozku hlodavců [42]. Naše zjištění dále představovala silnou koherenci; pak se ptáme, zda je správný výkon pracovní paměti kódován modulací EC oscilací aktivitou OB. Je zajímavé, že naše výsledky analýzy fázově-výkonové vazby OB–EC ukázaly, že vazba delta–gama a theta–gama je během správných zkoušek významně vyšší. Navíc OB delta a theta fáze modulovaly fázi buď nízkých, tak vysokých oscilací v gama pásmu v EC během prostorové pracovní paměti a hodnota takové modulace se při správném výkonu zvýšila. Tato zjištění jsou v souladu s předchozími studiemi, které naznačovaly, že CFC v oblastech mozku hraje funkční roli ve výpočtech neuronů, komunikaci a učení [43–45].

Důležité je, že lze navrhnout, že gama oscilace v hipokampální formaci, které přispívají k výkonu paměti, mohou být modulovány rytmem OB. Dříve se uvádí, že gama oscilace v hipokampu se skládají ze dvou odlišných frekvenčních složek (nízká a vysoká gama). Přesněji se předpokládá, že oscilace s vysokým gama v hipokampu pocházejícím z EC a nízké gama oscilace jsou generovány z vnitřních zdrojů [46, 47]. Náš výsledek ukázal, že oscilace v laterální EC, která je recipročně spojena s OB prostřednictvím přímých projekcí [12, 13], jsou řízeny z OB, když zvířata poprvé provedla pracovní paměť. Proto oscilace OB prostřednictvím modulace EC mohou ovlivnit aktivitu gama v hipokampu, což přispívá k úspěšnému výkonu pracovní paměti. K lepšímu pochopení mechanismů OB v mozkových oscilacích a behaviorálním výkonu jsou však zapotřebí další studie.

cistamcheoimunita

Zatímco vysokofrekvenční oscilace představují lokální kortikální zpracování, nízkofrekvenční rytmy se mohou dynamicky unášet napříč distribuovanými oblastmi mozku [47]. CFC představuje mechanismus pro přenos informací v mozkových okruzích fungujících na úrovni chování [47]. Tato pozorování potvrzují naši hypotézu, že OB může koordinovat EC během výkonu pracovní paměti.

Zajímavou otázkou je, jak OB řídí tyto efekty? Možnou odpovědí je vnitřní hnací síla v OB generování a usnadnění jak lokálních, tak i dálkových mozkových rytmů. U savců OB exprimuje výrazné nervové oscilace [48, 49], u kterých je prokázáno, že synchronizují nervové aktivity mozkových sítí [50]. Tyto oscilace jsou generovány během nazálního dýchání stimulací čichových senzorických neuronů (OSN) [51]. Čichové neurální oscilace, které jsou fázově uzamčeny na dechové cykly, nazývané respiračně-entrainované mozkové oscilace [12], dosahují odlehlých oblastí [52, 53] a modulují rytmickou aktivitu v nečichových oblastech [54]. Proto tyto rytmy synchronizují oscilace OB s oblastmi na velké vzdálenosti, zejména během kognitivního výkonu [42]. Například bylo hlášeno, že OB a hippocampus se synchronizovaly na oscilaci theta během kognitivních výkonů [55, 56].

Navíc se předpokládalo, že zvýšené delta oscilace během úlohy prostorové pracovní paměti v mPFC, VTA a hippocampu [57] jsou strhávány respiračním rytmem [42]. Současné výsledky práce však poprvé ukázaly, že OB oscilace mohou modulovat EC aktivity během výkonu pracovní paměti. Naše vysvětlení pro tato pozorování je, že OSN prostřednictvím nazálního dýchání může koordinovat oscilace OB a pak OB řídí změny ve vzdálených oblastech, včetně EC. Ukázalo se, že OSN mají dvojí funkce, které reagují nejen na chemický podnět (zápach), ale jsou také aktivovány prouděním nosního vzduchu [51]; proto je pravděpodobné, že OB oscilace jsou generovány prouděním vzduchu bez zápachu prostřednictvím mechanické stimulace OSN [51, 58]. Kromě dýchání může konektivitu v obvodu OB–EC ovlivnit i další vstup senzorických informací [59, 60]. Experimentální data například potvrdila, že exprese pachově specifických reprezentací v EC je nutná k vedení navigace během úspěšného výkonu asociativní paměti [59]. Kromě toho je čichání jako hlavní smyslový vstup během kognitivního výkonu také spojováno s hipokampálními oscilacemi během učení [55]. K odhalení základního mechanismu, ve kterém OB moduluje EC během výkonu pracovní paměti, je však zapotřebí více studií.

Již dříve bylo prokázáno, že oscilace OB způsobují rytmus hippocampu [61]. Proto jsme dále předpokládali, že EC aktivita je koherentní a modulovaná s OB oscilacemi, ale EC oscilace jsou také v kauzální souvislosti s OB aktivitou. V současné studii Grangerův výpočet kauzality prokázal, že přírůstek přílivu informací z OB do EC je spojen se správným výkonem pracovní paměti. Tyto důkazy, v souladu s našimi dalšími zjištěními, podporují model, ve kterém OB posílá informace do EC, které mohou být zásadní pro úspěšný výkon během pracovní paměti.