Двонаправлені зміни тета-гама-комодуляції гіпокампа передбачають пам’ять для недавнього просторового

Відредаговано * Ненсі Дж. Копелл, Бостонський університет, Бостон, Массачусетс, та затверджено 3 березня 2010 р. (Отримано для огляду 30 жовтня 2009 р.)

Анотація

Епізодична пам’ять вимагає гіпокампу, який, як вважають, пов’язує кіркові входи в сполучні коди. Потенціали місцевого поля (LFP) відображають дендритні та синаптичні коливання, тимчасова структура яких може координувати клітинні механізми пластичності та пам'яті. Зараз ми повідомляємо, що ефективність просторової пам’яті для щурів, яка проводилася в одному дослідженні, була передбачена силою комодуляції ритмів тета (4–10 Гц) та низької гамми (30–50 Гц) в гіпокампі. Тета-гамма-комодуляція (TGC) була помітною під час успішного пошуку пам'яті, але була слабкою, коли пам'ять виходила з ладу або була недоступною під час просторового дослідження в зразкових випробуваннях. Вливання мусцимолу в медіальну перегородку знижує ймовірність TGC та успішного пошуку пам'яті. На відміну від цього, візерункова електрична стимуляція фімбрії-форниксу збільшувала TGC у амнестичних тварин і частково врятовувала показники пам’яті у водному лабіринті. Результати свідчать про те, що TGC супроводжує пошук пам’яті в гіпокампі і що візерункова стимуляція мозку може слугувати інформаційною стратегією для когнітивних розладів.

Коливання тети та гамми гіпокампа незалежно пов'язані з продуктивністю пам'яті у багатьох завданнях. Тета-ритм позитивно корелює з навчанням у класичній підготовці (13) та завданнями епізодичної пам'яті людини (14, 15). Ураження медіальної перегородки (РС) зменшують тета-ритм гіпокампа і погіршують просторову пам’ять у щурів (16), як і вливання мусцимолу (агоніста ГАМК) в РС (17, 18). Отримання пам'яті також було пов'язане з перехідними гамма-коливаннями в CA1 та CA3 (19). Зокрема, низька гамма-активність (30–50 Гц) може допомогти поєднати обробку CA3 і CA1, дозволяючи “завершення шаблону” повторюваними схемами для сприяння виклику пам’яті (20). Амплітуда гіппокампального та кортикального гамма-ритму модулюється фазою локальних тета-коливань в гіпокампі (9, 10). Лікування, яке скасовує тета-ритм, може залишити гамма-ритм незмінним (21), але відсутність тета-ритму виключає як оцінку тета-модульованого гамма-ритму, так і взаємозв'язок між цими коливаннями та механізмами пам'яті.

Для кращого виявлення фізіологічних ознак, що передбачають ефективність пам'яті, ми вливали мусимол в РС, щоб послабити тета-ритм і погіршити пам'ять для просторових епізодів у щурів та стимулювали фімбрію-форнікс (FFx) викликати різні схеми коливань в гіпокампі. Ми оцінювали пам’ять за допомогою швидко набутої одноразової парадигми просторової пам’яті. Порівнюючи потенціали місцевого поля гіпокампа (LFP), зафіксовані під час вибіркових та правильних та неправильних випробувань, ми виявили, що тета-гама-комодуляція гіпокампа (TGC) передбачала ефективність пошуку пам'яті краще, ніж тета або гамма-потужність, що розглядаються окремо. Стимуляція FFx модулювала тета-ритм, гамма-ритм та TGC у дорсальному гіпокампі. Схеми електростимуляції, що посилювали TGC, сприяли роботі пам'яті у щурів, амнестірованих інфузіями MS muscimol. Таким чином, скоординоване коливання тета та гамма-амплітуди виявило механізм пам'яті, який при штучному відновленні покращував тимчасову амнезію.

Результати

Пам'ять для просторових епізодів була перевірена в одному дослідженні, залежному від гіпокампу, завданням, яке відповідає місцю, у шестиручному радіальному водному лабіринті (22) (рис. 1А та рис. S1). Занурену евакуаційну платформу розмістили в кінці псевдовипадково вибраної цільової групи, де вона залишилася для кожного з 10 випробувань щоденної сесії тестування. У кожному дослідженні щура поміщали у воду обличчям до кінця псевдовипадково визначеного стартового плеча і могли врятуватися, підпливаючи до прихованої платформи. Під час першого (зразкового) випробування щур повинен був виявити місце розташування платформи методом спроб і помилок. Оптимальна продуктивність вимагала кодування розташування платформи на першій пробі та використання пам’яті для безпосереднього повернення до правильного плеча на наступних дев’яти пробних матчах (інтервал між випробуваннями, 30 с). Платформа була поставлена в різну руку під час кожної сесії тесту, що вимагало, щоб щури щодня вивчали різні цілі. LFP гіпокампа оцінювали у кожної щури (n = 6) за допомогою вертикально розташованих біполярних реєструючих електродів, імплантованих та гістологічно перевірених, щоб охопити спинний гіпокамп (рис. 1 B та C та рис. S1 B – D). Ритмічними коливаннями в гіпокампі маніпулювали шляхом вливання сольового розчину або мусцимолу в МС через постійну канюлю за 30 хв до дослідження зразка. LFP реєстрували під час плавання протягом кожної сесії.

Процедури та наслідки інактивації медіальної перегородки. (A) Вид зверху водяного лабіринту радіального плеча (діаметр, 170 см). Сірі трикутники показують роздільники між пронумерованими плавальними руками. Платформа для воріт (коробка) розташовувалася в одній руці (тут, рука 6) для всіх випробувань протягом сеансу. (B) Легкі мікрофотографії пофарбованих тіоніном корональних відділів мозку, що ілюструють розміщення електродів і канюлі (біла речовина рожева, сіра речовина синя). Розташування канюлі MS (вгорі ліворуч), стимулюючого електрода FFx (вгорі праворуч) та електрода, що фіксує тріщини CA1-гіпокампа (знизу), позначаються наконечниками стрілок (див. Також рис. S1). (C) Схема мозку щура із зазначенням розміщення реєструючих та стимулюючих електродів та канюлі. HPC, гіпокампу. (D) Просторове навчання з одним випробуванням було порушене MSI, як показано середньою затримкою виходу (+ SE) в контрольних (ліворуч) та MSI (праворуч) випробуваннях. Червоні смуги означають зразки випробувань. (E) Ефективність MSI проти контролю (вливання сольового розчину; Ctrl), виміряна середньою відстанню виходу, затримкою та помилками на пробу (для нецільових входів в руки, див. Рис. S3 та таблицю S1). n = 6 щурів. Смужки помилок в D та E вказують на SE; *, P 2 0,05), а усереднені за випробуванням потужності тета та гамма-ритмів були некорельованими (R 2 0,05) (рис. 2G).

Протоколи стимуляції FFx та TGC. (A – C ліворуч) Зразок тета-та гамма-смугового фільтрування сигналів під час стимуляції MSI +. (На нижніх ділянках висоти амплітуди зробили рівними для відображення). Шаблони стимулів для (A) MSI + тета (7,7 Гц), (B) MSI + 100 Гц та (C) TBS. На A горизонтальна лінія над поїздом показує ширину імпульсу стимулу (100 us), а горизонтальна лінія під поїздом - інтервал імпульсу (130 мс). У точці В горизонтальна лінія під поїздом показує шкалу часу. У C горизонтальна лінія над поїздом показує інтервал імпульсу (2 мс), а горизонтальна лінія під поїздом - інтервал між вибухом (130 мс). Стимуляція давалась протягом усього дослідження. (A-C праворуч) Зразок частотно-частотних спектрограм для стимуляції MSI + для кожного протоколу. Різні часові шкали відображають різну тривалість випробувань. Червоний та синій вказують на високу та низьку відносну потужність відповідно. Зверніть увагу на відносну відсутність гамма-потужності в А порівняно з В і С (рис. S5B).