Modificările bidirecționale ale comodacului teta - gamma hipocampic prezic memoria pentru spațiul recent
Editat * de Nancy J. Kopell, Universitatea Boston, Boston, MA și aprobat la 3 martie 2010 (primit pentru revizuire 30 octombrie 2009)
Abstract
Memoria episodică necesită hipocampul, despre care se crede că leagă intrările corticale în codurile conjunctive. Potențialele de câmp local (LFP) reflectă oscilații dendritice și sinaptice a căror structură temporală poate coordona mecanismele celulare ale plasticității și memoriei. Raportăm acum că performanța memoriei spațiale cu un singur proces la șobolani a fost prezisă de comodularea puterii ritmurilor theta (4-10 Hz) și gamma scăzută (30-50 Hz) în hipocamp. Comodularea Theta - gamma (TGC) a fost proeminentă în timpul recuperării cu succes a memoriei, dar a fost slabă când memoria a eșuat sau a fost indisponibilă în timpul explorării spațiale în probele de probă. Infuzia de muscimol în septul medial a redus probabilitatea TGC și recuperarea cu succes a memoriei. În contrast, stimularea electrică modelată a fimbriei-fornixului a crescut TGC la animalele amnestice și a salvat parțial performanța memoriei în labirintul de apă. Rezultatele sugerează că TGC însoțește recuperarea memoriei în hipocamp și că stimularea cerebrală tipărită poate informa strategiile terapeutice pentru tulburările cognitive.
Oscilațiile teta și gamma hipocampice au fost asociate independent cu performanța memoriei în multe sarcini. Ritmul theta se corelează pozitiv cu învățarea în condiționarea clasică (13) și sarcinile de memorie episodică umană (14, 15). Leziunile mediale de sept (MS) reduc ritmul teta hipocampic și afectează memoria spațială la șobolani (16), la fel ca infuziile de muscimol (un agonist GABAA) în SM (17, 18). Recuperarea memoriei a fost, de asemenea, asociată cu oscilații gamma tranzitorii în CA1 și CA3 (19). În special, activitatea gamma scăzută (30-50 Hz) poate ajuta la cuplarea procesării CA3 și CA1, permițând „finalizarea tiparului” prin circuite recurente pentru a promova rechemarea memoriei (20). Amplitudinea ritmului gamma hipocampal și cortical este modulată de faza oscilațiilor teta locale din hipocamp (9, 10). Tratamentele care abolesc ritmul teta pot lăsa intact ritmul gamma (21), dar absența ritmului theta împiedică atât evaluarea ritmului gamma modulat teta, cât și relația dintre aceste oscilații și mecanismele de memorie.
Pentru a identifica mai bine semnăturile fiziologice care prezic performanța memoriei, am infuzat muscimol în SM pentru a atenua ritmul theta și a afecta memoria pentru episoadele spațiale la șobolani și am stimulat fimbria-fornix (FFx) pentru a induce diferite modele de oscilație în hipocamp. Am evaluat memoria folosind o paradigmă a memoriei spațiale cu un singur proces, dobândită rapid. Prin compararea potențialelor de câmp local hipocampic (LFP) înregistrate în timpul eșantionului și a testelor corecte și incorecte, am constatat că comodoculația teta - gamma hipocampală (TGC) a prezis o performanță de recuperare a memoriei mai bună decât puterea theta sau gamma considerată separat. Stimularea FFx a modulat ritmul teta, ritmul gamma și TGC în hipocampul dorsal. Modelele de stimulare electrică care au îmbunătățit TGC au facilitat performanța memoriei la șobolani fabricați amnestic prin infuzii de MS muscimol. Astfel, fluctuația coordonată a amplitudinii teta și gamma a dezvăluit un mecanism de memorie care, atunci când a fost restabilit artificial, a ameliorat amnezia temporară.
Rezultate
Memoria pentru episoadele spațiale a fost testată într-o singură încercare, dependentă de hipocamp, potrivită la locul sarcinii într-un labirint de apă radial cu șase brațe (22) (Fig. 1A și Fig. S1). O platformă de evacuare scufundată a fost plasată la capătul unui braț de poștă selectat aleatoriu, unde a rămas pentru fiecare dintre cele 10 încercări ale unei sesiuni de testare zilnice. În fiecare proces, un șobolan a fost plasat în apă cu fața spre capătul unui braț de start determinat pseudorandomial și a putut scăpa înotând pe platforma ascunsă. În primul proces (eșantion), șobolanul a trebuit să descopere locația platformei prin încercare și eroare. Performanța optimă necesită codificarea locației platformei în prima încercare și utilizarea memoriei pentru a reveni direct la brațul corect în următoarele nouă încercări de meci (interval intertrial, 30 s). Platforma a fost pusă într-un braț diferit în fiecare sesiune de testare, necesitând șobolanilor să învețe un obiectiv diferit în fiecare zi. LFP-urile hipocampice au fost evaluate la fiecare șobolan (n = 6) prin electrozi de înregistrare bipolari eșalonate vertical implantate și verificate histologic pentru a acoperi hipocampul dorsal (Fig. 1 B și C și Fig. S1 B - D). Oscilațiile ritmice din hipocampus au fost manipulate prin infuzarea fie a soluției saline, fie a muscimolului în MS printr-o canulă de 30 de minute înainte de proba eșantionului. LFP au fost înregistrate în timpul înotului pe parcursul fiecărei sesiuni de testare.
Proceduri și efecte ale inactivării mediale a septului. (A) Vedere de sus a labirintului de apă cu braț radial (diametru, 170 cm). Triunghiurile gri prezintă separatoare între brațele de înot numerotate. Platforma obiectivului (caseta) a fost localizată în același braț (aici, brațul 6) pentru toate probele din cadrul unei sesiuni. (B) Microfotografii ușoare ale secțiunilor cerebrale coronare colorate cu tionină care ilustrează plasarea electrozilor și a canulei (substanța albă este roz, substanța gri este albastră). Locațiile canulei MS (stânga sus), electrodului de stimulare FFx (sus dreapta) și electrodului de înregistrare a fisurii CA1 hipocampice (jos) sunt indicate de vârfuri de săgeată (vezi și fig. S1). (C) Schema creierului șobolanului indicând plasarea electrozilor și canulei de înregistrare și stimulare. HPC, hipocamp. (D) Învățarea spațială cu un singur studiu a fost întreruptă de MSI, după cum se arată în latențele de evadare medii (+ SE) în testele de control (stânga) și MSI (dreapta). Barele roșii indică probe de probă. (E) MSI vs. controlul (infuzie salină; Ctrl) performanța măsurată prin distanța medie de evadare, latență și erori pe încercare (pentru intrări de braț nongoal, vezi Fig. S3 și Tabelul S1). n = 6 șobolani. Barele de eroare din D și E indică SE; *, P 2 0,05), iar puterile mediate de test ale ritmurilor theta și gamma au fost necorelate (R 2 0,05) (Fig. 2G).
Protocoale de stimulare FFx și TGC. (A - C Stânga) Eșantion de forme de undă filtrate cu bandă teta și gamma în timpul stimulării MSI +. (În parcelele inferioare, înălțimile amplitudinii au fost egale pentru afișare). Modele de stimulare pentru (A) MSI + theta (7,7 Hz), (B) MSI + 100 Hz și (C) TBS. În A, linia orizontală deasupra trenului arată lățimea impulsului stimulului (100 us), iar linia orizontală de sub tren arată intervalul interpulsei (130 ms). În B, linia orizontală de sub tren arată scala timpului. În C, linia orizontală de deasupra trenului arată intervalul interpulsei (2 ms), iar linia orizontală de sub tren arată intervalul de interblocare (130 ms). Stimularea a fost dată pe tot parcursul procesului. (A - C Dreapta) Spectrogramele timp-frecvență ale eșantionului pentru stimularea MSI + pentru fiecare protocol. Diferitele scale de timp reflectă durate de încercare diferite. Roșu și albastru indică, respectiv, putere relativă mare și mică. Observați absența relativă a puterii gamma în A în comparație cu B și C (Fig. S5B).