A hippocampus theta - gamma komoduláció kétirányú változásai megjósolják a memóriát a legutóbbi térbeli epizódokhoz

Szerkesztette *: Nancy J. Kopell, Bostoni Egyetem, Boston, MA, és jóváhagyta 2010. március 3-án (felülvizsgálatra érkezett 2009. október 30)

Absztrakt

Az epizodikus memóriához a hippocampus szükséges, amelyről úgy gondolják, hogy a kérgi bemeneteket kötő kódokba köti. A lokális térpotenciálok (LFP-k) olyan dendritikus és szinaptikus rezgéseket tükröznek, amelyek időbeli szerkezete koordinálhatja a plaszticitás és az emlékezet sejtszintű mechanizmusait. Most arról számolunk be, hogy patkányokban az egyszeri térbeli memória teljesítményét a theta (4–10 Hz) és az alacsony gamma (30–50 Hz) ritmusok teljesítménykomodulációja jósolta meg a hippokampuszban. A theta-gamma komoduláció (TGC) kiemelkedő volt a sikeres memória-visszakeresés során, de gyenge volt, ha a memória meghibásodott, vagy nem volt elérhető a mintakísérletek térbeli feltárása során. A muscimol medialis septumba történő infúziója csökkentette a TGC és a memória sikeres visszaszerzésének valószínűségét. Ezzel szemben a fimbria-fornix mintázott elektromos stimulálása növelte az amnesztiás állatok TGC-jét, és részben megmentette a memória teljesítményét a vízi útvesztőben. Az eredmények arra utalnak, hogy a TGC kíséri a memória visszakeresését a hippocampusban, és hogy a mintázott agyi stimuláció terápiás stratégiákat adhat a kognitív rendellenességekről.

A hipokampusz theta- és gamma-oszcillációi sok feladatban függetlenül társultak a memória teljesítményéhez. A teta ritmus pozitívan korrelál a klasszikus kondicionálás (13) és az emberi epizodikus memóriafeladatok (14, 15) tanulásával. A mediális septum (MS) elváltozások csökkentik a hippocampus theta ritmusát és rontják a térbeli memóriát patkányokban (16), csakúgy, mint a muscimol (egy GABAA agonista) infúziói az SM-be (17, 18). A memória visszakeresése a CA1 és a CA3 tranziens gamma-oszcillációival is összefüggött (19). Különösen az alacsony gamma (30–50 Hz) aktivitás segítheti a CA3 és a CA1 feldolgozását, lehetővé téve a „minta kitöltését” visszatérő áramkörökkel a memória előhívásának elősegítése érdekében (20). A hippokampusz és a kortikális gamma ritmusának amplitúdóját a helyi theta oszcillációk fázisa modulálja a hippocampusban (9, 10). A theta ritmust eltörlő kezelések érintetlenül hagyhatják a gamma ritmust (21), de a theta ritmus hiánya kizárja mind a theta által modulált gamma ritmus értékelését, mind pedig az ezen rezgések és memória mechanizmusok közötti kapcsolatot.

A memóriateljesítményt megjósló fiziológiai aláírások jobb azonosítása érdekében infúzióba juttattuk az MS-be a muszimolt, hogy csillapítsuk a theta ritmust és rontsák a patkányok térbeli epizódjainak memóriáját, és a fimbria-fornixot (FFx) arra ösztönöztük, hogy különböző rezgési mintázatokat indukáljon a hippocampusban. A memóriát gyorsan megszerzett, egypróbás térbeli memória paradigma segítségével értékeltük. A minta és a helyes és helytelen egyeztetési kísérletek során rögzített hippokampus lokális tereppotenciáljának (LFP) összehasonlításával azt találtuk, hogy a hippokampusz theta-gamma komodulációja (TGC) jóval megjósolta a memória visszakeresésének teljesítményét, mint a külön figyelembe vett theta vagy gamma teljesítmény. Az FFx stimuláció modulálta a theta ritmust, a gamma ritmust és a TGC-t a háti hippokampuszban. Az elektromos stimulációs minták, amelyek fokozták a TGC-t, megkönnyítették a memória teljesítményét azoknál a patkányoknál, amelyeket MS muscimol infúzióval tettek amnesztikussá. Így a teta és a gamma amplitúdó összehangolt ingadozása olyan memória mechanizmust tárt fel, amely mesterséges helyreállítás esetén enyhíti az átmeneti amnéziát.

Eredmények

A térbeli epizódok memóriáját egy egypróbás, hippocampus-függő, helyhez illeszkedő feladatban tesztelték egy hatkarú radiális vízlabirintusban (22) (1A. És S1. Ábra). Merülő menekülési platformot helyeztek el egy ál-véletlenszerűen kiválasztott kapu végén, ahol egy napi tesztelés 10 kísérletének mindegyikénél megmaradt. Minden kísérletben egy patkányt tettek a vízbe egy álszándékosan meghatározott kezdőkar vége felé nézve, és a rejtett emelvényre úszva elmenekülhet. Az első (minta) próbán a patkánynak próbával és hibával kellett felfedeznie a peron helyét. Az optimális teljesítményhez meg kellett kódolni a platform helyét az első próbán, és memóriát kell használni ahhoz, hogy a következő kilenc mérkőzésen (interprial intervallum, 30 s) közvetlenül visszatérjen a megfelelő karhoz. A platformot minden tesztszakaszban más karba tették, és a patkányoknak minden nap más célt kellett tanulniuk. A hippocampalis LFP-ket minden patkányban (n = 6) vertikálisan függőlegesen elosztott, bipoláris rögzítő elektródákkal implantáltuk és szövettanilag igazoltuk a dorzális hippocampus átívelésére (1. B és C ábra, valamint S1 B-D ábra). A ritmikus rezgéseket a hippocampusban úgy manipuláltuk, hogy a sóoldatot vagy a muszimolt az MS-be belélegzett kanülön keresztül 30 perccel a mintakísérlet előtt infundáltuk. Az LFP-ket az úszás során rögzítettük minden tesztszakasz során.

A mediális septum inaktiválásának eljárásai és hatásai. (A) A sugárkaros víz labirintus felülnézete (átmérője, 170 cm). A szürke háromszögek elválasztókat mutatnak a számozott úszókarok között. A gólplatform (doboz) ugyanabban a karban (itt, 6. kar) volt elhelyezve a munkameneten belüli összes kísérlet során. (B) A tioninnal festett koronális agyszelvények fénymikroszkópos felvételei az elektródák és a kanül elhelyezését szemléltetik (a fehér anyag rózsaszín, a szürke anyag kék). Az MS kanül (balra fent), az FFx stimulációs elektróda (jobbra fent) és a hippocampus CA1-repedésrögzítő elektróda (alul) helyét nyílhegyek jelzik (lásd még az S1 ábrát). (C) A patkány agy vázlata, amely a rögzítő és stimuláló elektródák és a kanül elhelyezését mutatja. HPC, hippocampus. (D) Az egypróbás térbeli tanulást az MSI megzavarta, amint azt az átlagos menekülési késések (+ SE) mutatják a kontroll (bal) és az MSI (jobb) vizsgálatokban. A piros sávok a mintakísérleteket jelzik. (E) MSI Vs. kontroll (fiziológiás sóoldat infúzió; Ctrl) teljesítménye az átlagos menekülési távolság, a látencia és a hibák egy próbánként mért értéke (a nem karú belépésekhez lásd az S3. ábrát és az S1 táblázatot). n = 6 patkány. A D és E hibasávok SE-t jelölnek; *, P 2 0,05), és a teta- és gamma-ritmusok kísérleti átlagértékei nem voltak korrelálva (R 2 0,05) (2G ábra).

FFx stimulációs protokollok és TGC. (A - C balra) Minta a theta és a gamma sávszűréssel szűrt hullámformákból az MSI + stimuláció során. (Az alsó ábrákon az amplitúdómagasságokat egyenlővé tették a megjelenítéshez). Stimulációs minták az (A) MSI + theta (7,7 Hz), (B) MSI + 100 Hz és (C) TBS esetén. A-ban a vonat feletti vízszintes vonal mutatja az inger impulzus szélességét (100 us), a vonat alatti vízszintes vonal pedig az interpulzus intervallumot (130 ms). B-ben a vonat alatti vízszintes vonal mutatja az időskálát. C-ben a vonat feletti vízszintes vonal az interpulzus intervallumot (2 ms), a vonat alatti vízszintes vonal pedig az interburst intervallumot (130 ms) mutatja. Stimulációt adtak a vizsgálat során. (A - C jobbra) Mintaidő - frekvencia spektrogram az MSI + stimulációhoz az egyes protokollokhoz. A különböző időskálák különböző próbaidőtartamokat tükröznek. A piros és a kék magas, illetve alacsony relatív teljesítményt jelez. Vegye figyelembe a gamma teljesítmény relatív hiányát A-ban B-vel és C-vel összehasonlítva (S5B ábra).

A TBS javította a memória teljesítményét MSI patkányokban, önmagában az MSI-vel összehasonlítva (5A. Ábra, S3 C és D ábra, valamint az S1 táblázat), és jelentősen megnövelte a TGC értékét (5B. Ábra és S2 táblázat). A téta vagy gamma teljesítmény abszolút nagysága önmagában még nem jósolta meg a memória teljesítményét egyetlen MSI + stimulációs protokollban sem (S5. Ábra). Így a mesterségesen előidézett TGC részben megmentette a térbeli memória teljesítményét, ami arra utal, hogy a TGC bekapcsol egy kritikus memória mechanizmust. Valóban, a magas TGC szignifikánsan megjósolta a sikeres teljesítményt, függetlenül a stimulációs körülményektől (5. ábra, valamint S5C és S6 ábra).

Mintás FFx stimuláció modulálta a TGC-t és a memória teljesítményét. (A) Kezelési feltételek vs. menekülési távolság minden próbához. Minden kezelést egyedi színnel ábrázolnak. A zárójelek és a csillagok jelentős kezelési különbségeket jeleznek a feladat teljesítésében (F7,333 = 15,38, P 100 Hz). A stimuláló elektródot a fornix en passáns axonjának stimulálásával helytelenül helyezték el a célpontjától, és látszólag aktiválták az ipsilaterális mesialis temporális lebeny struktúrákat. Jelen eredmények arra utalnak, hogy a mintázott stimulációs protokollok vagy a specifikus agyi oszcillációk komodulációjának más módjai hasznos megközelítést nyújthatnak a neurokognitív rendellenességek terápiás kezelésének kidolgozásában.

Mód

Állatok.

Hat 3 hónapos hím Long-Evans patkányt (350–400 g) (Harlan Laboratories) külön-külön helyeztünk el, és 12 órás világos/sötét ciklusban tartottuk, táplálékkal és vízzel ad libitum. A patkányokat 1 hétig hozzáfogtuk a viváriumhoz és a kezelést. Az állatokkal végzett összes eljárás megfelelt az Országos Egészségügyi Intézet irányelveinek, és a Sínai-hegyi intézményi állatgondozási és felhasználási bizottság jóváhagyta azokat.

Kísérleti terv.

A kísérleti tervet az 1. és 2. ábra szemlélteti. S1. A patkányokat infúziós kanülökkel és elektródákkal ültették be. A műtétből való felépülés után mindegyik patkányt 2 napig kerestük sugárirányú vízlabirintusban, majd a stimuláció és az infúziós kezelések pszeudorandom sorrendjéhez rendeltük. Minden patkánynak 10 napon keresztül minden nap egy kezelést kaptunk, miközben a viselkedést és fiziológiát feljegyeztük, egy további napon ugyanabban a feladatban kezeletlenül teszteltük, majd muszimol infúziókat kaptunk, és hippocampus-független jelszó-megközelítési feladatban teszteltük ugyanabban a feladatban. berendezés. Az elektróda és a kanül elhelyezését szövettanilag ellenőriztük, és csak a megfelelő elhelyezésű patkányokat (n = 6) vontuk be a vizsgálatba.

Sebészet.

A patkányokat 2,5-5,0% izofluoránnal (Baxter) altattuk és sztereotaxiás keretbe helyeztük. A fejbőrt bemetszették és behúzták, és öt koponya lyukat fúrtak a csavarok elhelyezéséhez. Két koponyacsavart forrasztottak mágneses huzalra (32-es nyomtávú; Belden-huzal), amfenol-csapokkal rögzítve földeléshez. Vezető kanül (C/315; Plastics One) [anteroposterior (AP) 0,2 mm; mediolaterális (ML) 1,06 mm; és dorsoventralis (DV) −6,09 mm a bregmához viszonyítva, 10 ° -os dőlés a normálistól az ML síkban], egy rögzítő elektróda (AP −3,8 mm, ML −2,5 mm, DV −3,2 mm) és egy stimuláló elektróda (AP - 0,8 mm-t, ML 0,95 mm-t, DV-3,92 mm-t, 14 ° -os dőlést az ML-síkban) az MS-ben, a hippocampusban és az FFx-ben engedtük le a céljukra. Az elektródákat egy Carleton kilenc tűs csatlakozóba (Carleton University) illesztettük, és az elektródákat, a kanült és a dugót a Grip Cement (Dentsply Inc.) segítségével rögzítettük a koponyához. A vizsgálókanülbe egy műanyag kanült (Plastics One) helyeztek, az állatokat visszahelyezték a szállásra, és 10 napig hagyták helyreállni.

Elektromos készülékek és stimuláció.

A stimulálásra és rögzítésre használt bipoláris elektródák (rozsdamentes acél zománcbevonatú huzal, 100 μm átmérőjű; MWS Wire Co.) csúcsai vertikálisan egymástól 0,5 mm-rel voltak elválasztva az FFx elektródáknál és 1 mm-rel a hippocampus elektródáknál. Két csatorna rögzítette az LFP-ket eltérően a bipoláris hippocampus elektród pólusai között. A jeleket előállította a színpadon lévő forráskövető, hevítő kábelen és kommutátoron keresztül továbbították, felerősítették (1–300 Hz sávszűrő; Grass Instruments P511), és számítógéppel digitalizálták (1 s seprés, 200 Hz mintavételi frekvencia) (Datawave Technológiák). A bipoláris hippocampus elektródák egyik típusát a CA1 piramissejt-rétege fölé, a másikat a hippocampalis hasadékba helyeztük (1B. És S1. Ábra). A nagy mozgású vagy elektromos műtárgyakat tartalmazó kísérleteket kizártuk a további elemzésből. Mivel a vizsgálatunk során az LFP-k mintavételi frekvenciája (200 Hz) lényegesen kisebb volt, mint ami szükséges volt az ingertermékek (100 μs impulzusszélességű, 10 kHz-nek megfelelő) kimutatásához a nyers adatokban, az ingertermékek nem jelentek meg a rögzített hullámformák (S7. ábra). A TGC elektromos stimulációs paramétereit és külön kísérleteket annak igazolására, hogy a mintavételi sebesség nem befolyásolta-e szignifikánsan az eredményeket, a SI-módszerek ismertetik. .

MS infúziók.

Az állatokat 5% izofluoránnal enyhén altattuk közvetlenül az infúzió (0,25 μl/perc) előtt fiziológiás sóoldat (0,5 μl, 0,9%) vagy muszimol (0,5 μL; 0,1 μg/μl muscimol sóoldatban; Sigma) infúzió előtt. Egy 33-es méretű injektoros kanül áthaladt a vezető kanülön, és elektronikus meghajtóval (Harvard) csatlakozott egy Hamilton mikrofecskendőhöz. Az infúzió után a kanült 3 percig a helyén hagytuk. A viselkedési és stimulációs kísérletek 30 perccel később kezdődtek, ~ 10 perccel azután, hogy a patkányok teljesen felépültek az altatásból, és mozgékonyak voltak. A muszimol hatékonyságát úgy értékeltük, hogy vizuálisan összehasonlítottuk az MSI utáni hippokampusz theta amplitúdóját a sóoldatos infúzió utáni korábbi felvételekkel. Az értékelést egy kísérleti személy végezte el, amely vak volt a kezelési állapotra nézve.

Viselkedés.

A sugárkaros vízlabirintus egy kör alakú tartály volt (170 cm átmérőjű, 63,5 cm magas), hat egyenlő távolságra elhelyezkedő háromszög alakú elválasztóval, amelyet hat kar létrehozására használtak (1C. Ábra). A tartályt 38 cm mélyen fehér tempera festékkel (Dick Blick Art Materials) átlátszatlanná tett vízzel (24 ± 2 ° C) töltötték fel. Az egyik kar végén egy tiszta plexi platformot (10,5 × 10,5 cm) helyeztek el, a tartály falával szomszédosan, és 2 cm-re merültek el. A gól karját minden tesztelés alkalmával álvéletlenszerűen választották ki, és a platform az adott ülés 10 próbája során a helyén maradt. Minden kísérlethez a rajt karját ál-véletlenszerűen választották ki az öt megmaradt kar közül, az álvéletlen sorrend megismétlődött az 5. kísérlet után. A jelzéssel történő megközelítéses kísérletek során a platformot egy kiemelkedő fekete mérföldkő jelezte. Egy számítógépes nyomkövető rendszer (Datawave Technologies) rögzítette és elemezte az úszási út adatait, beleértve a menekülési távolságot (centiméterben), a peron elérésének késését (másodpercben) és az átlagos úszási sebességet.

Mindegyik tesztelésnek 10 próbája volt. Minden kísérlet kezdetén a patkányt a tartály szélén, a fal felé fordítva, vízbe helyezték, és 60 másodpercig hagyták, hogy megtalálja az emelvényt; a menekülésre nem képes állatokat az emelvényre vezették. A patkányt 15 másodpercig hagyták pihenni az emelvényen, majd további 15 másodpercig várakozási szakaszba helyezték a következő kísérlet megkezdése előtt (30 másodperces intervallum intervallum). A hibákat akkor számoltuk meg, amikor a patkány hátsó lába belépett egy nem karba. A sikeres próbákat operatív szempontból úgy definiálták, hogy hibák voltak egy vagy anélkül; az összes többi kísérlet hibának számított. A cue tesztelését és a viselkedési manipulációkat a SI Methods írja le .

Szövettan.

A patkányokat intrakardiálisan 4% paraformaldehiddel perfundáltuk, majd az agyakat utólag fixáltuk és krioprotektálva 4% paraformaldehid és 18% vagy 30% szacharóz oldatokban. Az 50 μm-es sorozatokat metszettük egy fagyasztó csúszó mikrotómra, és festettük tioninnal (37). Az MS kanül és a két bipoláris elektróda elhelyezését mikroszkópos vizsgálattal igazolták (S1. Ábra).

Spektrális és keresztfrekvenciás komodulációs elemzés.

A spektrogramokat a többlapos spektrogrammal számoltuk a Matlab Chronux Toolbox (MathWorks) (SI Methods) alkalmazásával. Keresztfrekvenciás komodulogramokat készítettünk minden egyes kísérlethez úgy, hogy az egyetlen próbás spektrogram keresztkorrelációját vettük fel az összes frekvencián. A komodulációt az összes frekvenciapár spektrális teljesítmény idősorai közötti korrelációként mértük. A TGC-t az átlagos korrelációs értékekként határoztuk meg a teta-gamma kereszteződési tartományon belül (szaggatott vonallal a 3. ábrán A - F és SI módszerek).

Statisztikai analízis.

Az összes statisztikai elemzést és feldolgozási rutint a Matlab 7.7 (Mathworks) programba rendeltük, egyedi írt kód használatával. Az ANOVA diagramokat és regressziós modelleket a Systat 12 (www.systat.com) segítségével számoltuk ki. A lineáris regressziók a szokásos legkisebb négyzetek módszerét alkalmazták. A lineáris regresszió kiszámítása előtt a TGC teljesítménykorrelációs (r) értékeket Fisher z-jével transzformáltuk (a variancia normalizálására). Hacsak másként nem jelezzük, a feladat-teljesítmény mutatókat összehasonlítottuk az állapotok között, ismétlődő nyolcutas ANOVA-kat és Fisher legkevésbé jelentős különbségű (LSD) posthoc tesztjeit használva. Minden összehasonlítás esetén α = 0,05.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Alex Morrison és Julius Arijeloye technikai segítségnyújtását, Janina Ferbinteanu, Pamela Kennedy, Amir Bahar, Justin Riceberg, Jake Young, Kimberly Kwei, Marshall Crumiller és Caroline Dias a kézirathoz fűzött megjegyzéseit, Maojuan Zhuang pedig a technikai munkát. Ezt a munkát részben az Országos Öregedési Intézeti Kutatási Intézet, az Országos Egészségügyi Intézetek MH65658, MH073689 és F30 AG034003-01A1, valamint a Sínai-hegyi Orvostudományi Egyetem támogatta.

Lábjegyzetek

1 Kinek kell címezni a levelezést. E-mail: matthew.shapiromssm.edu .

A szerző hozzájárulása: P.S., P.R.R. és M.L.S. tervezett kutatás; P.S. végzett kutatás; P.R.S. és M.L.S. elemzett adatok; és P.S. és M.L.S. írta a lap.

A szerzők kijelentik, hogy nincs összeférhetetlenség.

↵ * Ennek a Közvetlen beküldés cikknek előre elkészített szerkesztője volt.

Szabadon elérhető online a PNAS nyílt hozzáférési lehetőségén keresztül.