Optogenetic Frequency Scrambling Hippocampal Theta Oscillations skilur vinnuminni endurheimt frá Hippocampal Spatiotemporal Codes Part 2

Sameinar MS optogenetic örvun og hippocampal kalsíummyndgreiningu

Til að rannsaka áhrif teta-meðferðar á hippocampal spatia- og tímakóða, sameinuðum við MS sjónræna örvun og kalsíummyndgreiningu í CA1. Þessi tilraunahugmynd vekur upp tvö hugsanlega mikilvæg atriði: GRIN linsuígræðslur fela í sér vefjaskemmdir sem gætu breytt lífeðlisfræðilegu ástandi þetasveiflna og bylgjulengdarróf örvunar LED sem notað er til að örva GCaMP6f gæti hugsanlega skarast við opsínið sem er staðsett á endatrefjum GABAergic MS trefja í hippocampus.

Hippocampus er mjög mikilvæg uppbygging í heilanum. Það er aðallega ábyrgt fyrir geymslu og vinnslu minnisupplýsinga. Eins og við vitum öll er minnið mikilvægur hluti af vitsmunalegum athöfnum mannsins og mikilvæg leið fyrir okkur til að eiga samskipti og samskipti við umhverfi okkar. Þess vegna skiptir virkni hippocampus sköpum fyrir líf okkar.

Hippocampal space er leið til að lýsa því hvernig landupplýsingar eru unnar í heila okkar. Það vísar til virks svæðis hóps taugafrumna í heila okkar sem vinnur landupplýsingar. Þetta svæði er kallað parahippocampal svæði og er náskylt sjóhestinum. Rannsóknir sýna að svæðið nálægt hippocampus vinnur úr upplýsingum sem tengjast rými og minni og er lykilþáttur í minnisferli okkar.

Nánar tiltekið, vinnsla hippocampus á landupplýsingum felur aðallega í sér tvo þætti. Fyrsti þátturinn er stefnuskyn okkar og hæfni til að sigla. Þegar við göngum skráir hippocampus skref okkar og stöðu og viðheldur stefnu okkar í geimnum. Ef hippocampus okkar er skemmt getur það valdið vandamálum eins og stefnuleysi eða að geta ekki ratað heim.

Annar þáttur er minnisgeta. Fólk notar landupplýsingarnar sem hippocampus gefur til að hjálpa fólki að muna. Ef við upplifum eitthvað á ákveðnum stað mun hippocampus geyma þessar upplýsingar og við getum lært um þessa reynslu eða fólk í gegnum muna.

Við erum stöðugt að styrkja minnisgetu okkar með námi og hippocampus gegnir mikilvægu hlutverki í þessu ferli. Vegna mikilvægis hippocampus þurfum við að huga að heilsu hans og vernda hana með einhverjum aðferðum. Sudoku, hlaup, að læra nýja færni osfrv. getur allt bætt minni okkar og verndað heilsu hippocampus okkar.

Þess vegna getur mataræði, hreyfing og að viðhalda góðum svefni hjálpað okkur að vernda hippocampus okkar og bæta minnisgetu okkar. Þegar við höfum skýran huga og sterkt minni getum við skilið heiminn betur og skapað betra líf. Það má sjá að við þurfum að bæta minni okkar. Cistanche deserticola getur bætt minni verulega, því Cistanche deserticola getur einnig stjórnað jafnvægi taugaboðefna, svo sem aukið magn asetýlkólíns og vaxtarþátta. Þessi efni eru mjög mikilvæg fyrir minni og nám. Að auki getur kjöt einnig bætt blóðflæði og stuðlað að súrefnisgjöf, sem getur tryggt að heilinn fái nægilega næringarefni og orku og þannig bætt heilaþrótt og úthald.

Smelltu á vita bætiefni til að auka minni

Til að sannreyna hvort GRIN linsuígræðslur breyttu lífeðlisfræði þeta, græddum við fyrst í músum GRIN linsu í hægri hippocampus og tvö rafskaut í bæði vinstri og hægri hippocampi og fundum sambærileg þetamerki í báðum heilahvelum (mynd 3a). Við bárum saman sveiflur á opnu sviði í músum með bæði GRINlens og meðfylgjandi LFP rafskaut, við mýs með rafskaut eingöngu, og fundum engan marktækan mun á báðum hópum (mynd 3b). Við fundum engan marktækan mun á hlutfallslegu þetakrafti í músum sem voru ígræddar með GRIN linsu og LFP rafskaut (0.14 ± 0.007) á móti eingöngu rafskaut ( 0,154 ± 0,008; t-próf, t54=1.060, p=0.29).

Þrátt fyrir að fyrri skýrslur hafi lýst því að hægt sé að sameina augnerfðafræðilega örvun ChrimsonR í frumulíkamum með myndgreiningu af GCaMP innrumum í grennd við endapunkta með lágmarks crosstalk53, var næst fylgst með hugsanlegri opsin virkjun MS-enda í hippocampus með því að skrá CA1- LFP á meðan það gefur frá sér örvunarljós með smásjánni okkar í gegnum GRIN linsu. Eftir að hafa kvarðað ljósúttaksstyrk smásjávar (Mynd 3c) fundum við engin áhrif af bláum örvunarljósi smásjávar á innrænt þetaafl (1ANOVA, F(4.295)= 0.7729, p=0.5435 ; mynd 3d). Þar sem greint hefur verið frá því að örvunarljós í smásjá getur framkallað lítilsháttar afskautun skautanna sem eru umsmitaðar með ChrimsonR53, sem gæti hindrað frekari afskautun af völdum sjónrænna efna, beittum við næst MSoptogenetic örvun á meðan myndgerð var með ~0.3mW /mm2 lítill scope LED afl og gátu truflað eða hraðað þeta verulega með því að nota sprænt eða 8 Hz örvun í sömu röð (Friedman próf χ2=6.000,p=0.0278; mynd 3e) .

Truflun á theta takti stjórnar litlum hluta af CA1 frumum

Við framkvæmdum síðan fasískar (5 s ON, 5 s OFF) sjónræna örvun MS á meðan við tókum upp CA1 pýramídafrumur þar sem mýs könnuðu frjálslega opið svæði (mynd 4a). Við komumst að því að hluti skráðra frumna var stöðugt spenntur við þessar aðstæður, en aðrar voru hindraðar (mynd 4b; sjá aðferðir). Virkni pýramídafrumna við örvun var almennt minni miðað við grunnlínu, bæði fyrir spæna örvun á hlaupum (Pearson fylgni, R2=0.567, p Minna en eða jafnt og 0.0 0{{20}}1)og hvíld (R2=0.521, p Minna en eða jafnt og 0.0001) tímabilum, sem og fyrir 8 Hz örvun (R{{ 14}}.6, p Minna en eða jafnt og 0,0001 fyrir hvíldartíma; R2=0.632, p Minna en eða jafnt og 0,0001 fyrir hlaupandi tímabil; n=1849 frumur, N=5 mýs; mynd 4c). Á heildina litið voru ~6,42 ± 0,52% af heildarfrumum marktækt breytt með spænaðri sjónrænni örvun (mynd 4d). Meðal þessara mótaðra frumna voru 50,56 ± 6,38% hindruð á meðan 49,43 ± 6,38% voru spenntir (n=1849 frumur, N=5 mýs; mynd 4e).

Næst greindum við áhrif augnerfðafræðilegrar örvunar á staðbundna stillingu hippocampus taugafrumna þar sem mýs könnuðu frjálslega opið sviði. Í þessu skyni reiknuðum við virknihraðakort með því að nota annað hvort tímabil innan eða utan örvunartímabila (fyrir grunnlínuástandið tókum við tímabil sem fylgdu sömu 5 s ON, 5 s OFFmynstri sem notað var fyrir raunverulega örvun; mynd. 4f). Stöðugleiki var síðan reiknaður út sem fylgni milli hraðakorta fyrir grunnlínu og örvunartímabil. Þrátt fyrir áðurnefndar breytingar á heildarvirkni sýndu hraðakort enga breytingu á staðbundnum stöðugleika fyrir hvora 8 Hz örvunina (Kruskal–Wallis H3=3.5, p=0.1773; mynd 4g).

MS sjónræn örvun breytir hegðun en ekki tímabundnum kóða

Til að meta áhrif þeta truflunar á tíma- og staðbundin kóða, fylgstust við með CA1 pýramída taugafrumum virkni á 3-tón línulegu laginu (mynd 5a). Hér nýtum við einn af helstu kostum kalsíummyndatöku, sem er hæfileikinn til að skrá skráðar frumur yfir nokkra daga á meðan við framkvæmum spæna eða 8 Hz örvun á völdum dögum (myndir 5b, c, neðsta spjaldið). Við lögðum áherslu á greiningu okkar á pör af dögum með sama tíma (48 klst) á milli prófa (Mynd 5c, efsta spjaldið). Fyrir hvert ástand metum við þann hluta heildarfrumna sem kóðar marktækt eina eða fleiri breytur og fundum engin áhrif af hvorki 8 Hz eða spæna örvun á staðbundna og tímabundna kóðun(RM-ANOVA; F2=0.807, p {{11 }}.453 fyrir helstu áhrif örvunar;F6=1.283, p=0.285 fyrir víxlverkun milli örvunar og kóðaðar breytu, n=5 músa; mynd 5d).

Þó að hluti frumna hafi ekki breyst við örvunaraðstæður, metum við áhrif MS örvunar á stað-, tíma- og fjarlægðarstýrða stillingarferla stöðugleika frumna. Í þessu skyni, vökvaði taugafrumur yfir daga (mynd 5c; sjá aðferðir) og reiknaði út stöðugleika stað- og tímasviða sem parafylgni milli sviða yfir 48 klst. Vegna þess að CA1 er þekkt fyrir að sýna áberandi endurmerkingu á dögum, notuðum við líka nokkra daga án örvunar til að reikna út grunnlínustöðugleikaskor til að nota sem viðmið (mynd 5e-g). Við fundum enga breytingu á stöðugleika við MS-örvun fyrir staðstýrðar frumur (1ANOVA, F2=1.907, p=0.1511; n=205 frumupör sameinuð úr N=5 óháðar mýs; mynd 5h), tímamótaðar frumur(1ANOVA, F2=2.201, p=0.113; n=227 frumupör sameinuð úr N=5óháðum mýs; mynd 5i), og fjarlægðarstýrðar frumur (1ANOVA,F2=0.6962, p=0.5024; n=64 frumupör sameinuð úr N=5 óháð mýs; mynd 5j). Við útvíkkuðum sömu greiningu einnig til tárafrumna (þ.e. taugafrumur sem geta umritað fleiri en eina breytu; viðbótarmynd. 5a–f) og fundum engin áhrif augnerfðaörvunar á stöðugleika samtengingarrýmis (1ANOVA, F2=3.731, p=0.0661;N=4 óháðar mýs; aukamynd 5g), tímabundin (1ANOVA,F2=1.993, p=0.8228; N {{47 }} sjálfstæðar mýs; aukamynd 5h) og fjarlægðarfrumur (1ANOVA, F2=0.469, p=0.6400; N=4 óháðar mýs; aukamynd 5i).

Næst metum við gæði tímabundinna kóða með því að nota anaískan Bayesian flokkara til að afkóða staðsetningu (mynd 6a, b), tíma (mynd 6cd) og ekin vegalengd (mynd 6e, f), með því að nota tilviljunarkenndar sýnishorn af ræsibúnaði (n {{3 }} sýnishorn af ræsibúnaði, n=160 frumur í hverju sýni). Afkóðarvillur voru kerfisbundið lægri en stokkaðar staðgönguhælar, þar á meðal við 8 Hz eða spæna örvun fyrir staðsetningu (2ANOVA,F5=2172, p Minna en eða jafnt og 0.0001; n=50 stígvélasýni úr einni dæmigerðri mús; mynd 6a), tími (2ANOVA, F5=1292, p Minna en eða jafnt og 0,0001;n=50 stígvélasýni úr einni dæmigerðri mús; Mynd 6c), og fjarlægð (2ANOVA, F5=1964, p Minna en eða jafnt og 0,0001; n=50 ræsisýni úr einni dæmigerðri mús; mynd 6e) sem gefur til kynna að tímabundnir kóðar hafi verið varðveittir við örvun. Til að áætla milli einstaklinga mikilvægi tímabundinna kóða, wez-stiga umskráningarvillu með því að nota bæði raunverulegar og uppstokkaðar niðurstöður (sjá Aðferðir) fyrir tiltekinn dag, fyrir hverja mús (mynd 6b, d, f). breyta kóðun staðsetningar verulega (1ANOVA, F2,11=2.2332, p=0.1432; N=5 mýs; áhrifastærðη2=0.29; mynd 6b), tími (1ANOVA, F2,11=0.4561, p=0.6452; N=5mýs; áhrifastærð η2=0.07; mynd 6d), eða fjarlægð ( 1ANOVA,F2,11=0.6102, p=0.5606; N=5 mýs; áhrifastærð η2=0.09; mynd 6f).

Í hegðunarhugmyndinni sem notuð er til að greina tímabundna mótun taugafrumnavirkni eru mýs skipulagðar með vatni og þjálfaðar til að safna verðlaunum. Byggt á þessari forsendu töluðum við fjölda skila á tóma verðlaunasíðu sem villur og reiknuðum út hlutfall réttra prófana til heildartilrauna sem umboð fyrir frammistöðu (mynd 6g). Við þessar aðstæður fundum við marktæk áhrif augnerfðafræðilegrar örvunar á frammistöðu yfir alla daga (Friedman testχ2=6.000, p=0.0278) og sérstaklega marktækan mun á frammistöðu á meðan á grunnlínu stóð. (78,70 ± 2,45%) og spæna örvun (44,44 ± 5,56%; margfaldur samanburður, p=0.0429;N=3 mýs; mynd 6h). Aðeins mýs með að lágmarki 12 keyrslur voru teknar með í þessari greiningu. Vegna takmarkana þessa verkefnis (lítið vitsmunalegt álag og lítill fjöldi prófaðra músa) fórum við næst að meta áhrif MS sjónræna örvunar í stöðluðum minnisverkefnum.

Truflun á þetamerkjum dregur úr staðgreiningu og endurheimt vinnsluminni

Til að prófa hlutverk þeta merkja í staðbundnu minni, notuðum við sérstakan hóp af músum sem sprautaðar voru með ChrimsonR og ígræddar ljósleiðara í MS (Mynd 7a, vinstri spjaldið). Mýs voru settar í NPOR verkefni (mynd 7a, hægra spjaldið). Til að meta hlutverk þetasveiflna í minniskóðun og endurheimt, er mynd. 7|MS sjónræn örvun truflar viðhald og endurheimt, en ekki kóðun á þátta- og vinnsluminni. a Mýs voru græddar með ljósleiðara í MS-sjúkdómnum eftir transfecting ChrimsonR (efst). Þeir voru síðan látnir undirgangast hið nýja verkefni til að bera kennsl á hlut (neðst, sjá Aðferðir). b Í þessu verkefni trufluðu bæði spæna (rauð) og 8 Hz (blá) örvun við endurheimt, sem og 8 Hz (græn) en ekki spæna (gul) örvun við kóðun minnisvirkni (2ANOVA, F4,31=3. 283 fyrir aðaláhrif meðferðar,p=0.0097; áhrifastærð fyrir aðaláhrif hóps, η2p=0.306; N=12 mýs). c

Til að kanna frekar áhrif MS örvunar á minniskóðun, viðhald og endurheimt, voru mýs þjálfaðar í seinkað verkefni án samsvörunar við sýni (DNMTS) í sjálfvirku T-völundarhúsi. d Mýs sem voru sýktar með ChrimsonR (rautt) eða YFP (svart) voru þjálfaðar (þar sem örvun var ekki til staðar) til að velja rétta, ósamræmda arma þar til árangur fór yfir viðmiðunina 0.8 skammta af réttu vali á dag, fyrir að minnsta kosti tvo daga í röð (grænt band; RM-ANOVA, F8=8.738,p Minna en eða jafnt og 0.0001 fyrir aðaláhrif æfingadaga; pörbundin Tukey margfeldi samanburðarpróf milli hópa, p=0.420; N=17 mýs). td árangur við örvun á mismunandi stigum verkefnisins fyrir mýs sem sprautaðar eru með ChrimonR (efst) eða YFP stýringar (neðst). Rauð skygging gefur til kynna örvuð svæði völundarhússins. e Daglegur meðalafköst þegar framkvæmt er MS örvun við kóðun eingöngu (RMANOVA, F11=2.197, p=0.547; N=17 mýs). f Daglegur meðalafköst þegar MS örvun er framkvæmd eingöngu á 10 sekúndna seinkuninni (RM-ANOVA, F11=3.483,p=0.0495; áhrifastærð fyrir helstu áhrif meðferðar, η2p {{ 25}}.109; N=17 mýs).g Dagleg meðalframmistaða þegar MS örvun er framkvæmd eingöngu meðan á endurheimt stendur (RM-ANOVA, F11=3.265, p=0.050; N { {33}} mýs).

Öll súlurit og línurit tákna meðaltal ± SEM að minnsta kosti þriggja sjálfstæðra tilrauna. Grein https://doi.org/10.1038/s41467-023-35825-5Nature Communications|(2023) 14:410 10framkvæmdi sjónræna örvun sérstaklega á sýna- og prófunarstigum og reiknaði út viðurkenningarvísitöluna (RI; sjá aðferðir). Við örvun við endurheimt minnkaði minnisframmistaðan umtalsvert fyrir bæði spæna (0.472 ± 0.048 RI, n {{10}} mýs) og 8 Hz örvun (0.435 ± {{40}}.057 RI, n=6 mýs) hópar, samanborið við YFP stýringar sem sýndu marktæka aukningu á hlutkönnun meðan á prófun stóð (0,61 ± 0,018 RI; 2ANOVA, F4,31=3.283 fyrir helstu áhrif meðferðar, p=0.0097; áhrifastærð fyrir aðaláhrif hópsins, η2p=0.306; N {{30 }} mýs; mynd 7b). Aftur á móti skertu spæna örvun við kóðun ekki minni á prófunartíma (0,60 ± 0,034 RI, p=0.0157, n=6 mýs) en 8 Hz örvun við kóðun lækkaði minnisframmistöðu niður í tilviljunarstig (0,39 ± 0,074 RI, p=0.8740, n=6 mýs).

Til að kanna áhrif sjónrænna stjórnunar MS-sjúkdómsins á tiltekna fasa virkni vinnsluminni (kóðun, viðhald, og endurheimt) voru mýs fluttar með ChrimsonR og ígræddar ljósleiðara í MS-sjúkdómnum og þjálfaðar í seinkað verkefni sem ekki samsvarar sýni (DNMTS) . Í sýnisfasanum voru mýs neyddar til að hlaupa að handleggnum sem var tilnefndur af handahófi til að safna verðlaunum. Eftir seinkun (10 sekúndur) gátu þeir annað hvort hlaupið í gagnstæðan handlegg (rétt val) til að fá önnur verðlaun eða hlaupið í sama, óverðlaunaða handleggnum (rangur handleggur; mynd 7c). Kosturinn við þetta verkefni er að leyfa endurteknar prófanir, sértæka einangrun verkfasa (þjálfun, seinkun, próf) og eftirlit innan viðfangsefnisins. Mýs voru þjálfaðar í þessu verkefni án örvunar fyrr en viðmiðunarframmistöðu 0.8 (hluti af réttum tilraunum) var náð í að minnsta kosti tvo daga. Bæði ChrimsonR og YFP stjórnamýs sýndu verulega framför með tímanum (RM-ANOVA, F8=8.738,p Minna en eða jafnt og 0.00{{21} }1 fyrir helstu áhrif æfingadaga). Mikilvægt er að við fundum engan mun á námshraða milli hópanna tveggja (pörbundið Tukey;p=0.420; mynd 7d). Þegar mýs höfðu lært regluna sem tengist DNMTS verkefninu, metum við frammistöðu á meðan við skiluðum annaðhvort spæna (0.792 ± 0.045) eða 8 Hz (0. 850 ± 0.036) optogenetic örvun í kóðunarfasa (þvingað val) eingöngu, og sá ekki neinn mun á frammistöðu miðað við grunnlínu (0.825 ± 0.030, RMANOVA, F11=2.197, bls=0.547, N=17; mynd 7e). Þegar aðeins örvað var á seinkunartímabilinu lækkuðu aðeins spænar örvun minnisframmistöðu (0,733 ± 0,057) samanborið við grunnlínu (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.483, p=0.0495; áhrifastærð fyrir helstu áhrif meðferðar, η2p=0.109; mynd 7f). Aftur á móti, þegar þær örvuðust við endurheimt, sýndu mýs örvaðar með 8 Hz marktækt minni afköst (0,675 ± 0,049) samanborið við grunnlínu (0,825 ± 0,030, RM-ANOVA, F11=3.265, p=0. 050; mynd 7g). Andstæðar, YFP samanburðarmýs urðu ekki fyrir áhrifum af örvun við kóðun (RM-ANOVA, F2=0.1314, p=0.8781), seinkunartímabilið (RMANOVA, F2=0.2020, p=0.8197), eða endurheimt (RM-ANOVA, F2=0.0454,p=0.9557; áhrifastærð fyrir helstu áhrif meðferðar, η2p=0 .196) af vinnsluminni.

Optógenísk stjórn á MS-taugafrumum breytir ekki hreyfingu

Mikilvægt er að áður var greint frá því að hraða þetasveiflur gætu dregið úr hreyfihraða og breytileika hans10, sem gæti útskýrt að minnsta kosti að hluta áhrif augnerfðafræðilegrar örvunar á vinnu- og tímabundið minni. Til að meta rækilega sérhæfni MS sjónræna örvunar á minni, gerðum við fleiri tilraunir til að útiloka bein áhrif sjónrænnar örvunar á hreyfihraða. Hlutmengi músa sem sprautað var með ChrimsonRand ígræddum ljósleiðara í MS sem og LFP rafskautum inCA1 var leyft að kanna opið svið frjálslega á meðan þær voru undir 5 s ON, 5 s OFF sjónræna örvun (aukamynd. 6a).8 Hz örvun leiddi til stöðugrar hraða sveiflna í hippocampus að þeirri tíðni (aukamynd 6b). Þessar örvun var ekki tengd neinni augljósri breytingu á hreyfihegðun (aukamynd. 6c), þar með talið meðalhraða (óparað, tvíhliða próf, t116=0.4140, p=0.6796; viðbótarmynd. 6d) og hraðastuðull breytileika (CV; óparað, tvíhliða t-próf, t116=0.8296,p=0.4095, n=59 örvunartímabil; aukamynd 6e) . Á sama hátt leiddi spæna örvun stöðugt til afnáms þetasveiflna (aukamynd 6f) en engar sjáanlegar breytingar á hreyfihegðun (aukamynd 6g), þar með talið meðalhraða (ópörð, tvíhliða t-próf, t118=0.2268 , p=0.8210; n=60 örvunartímabil; viðbótarmynd. 6h) og hraða CV (ópörð, tvíhliða t-próf,t118=1.838, bls {{36 }}.686; n=60 örvunartímabil; aukamynd 6i).

Þó að náttúruleg þeta tíðni og hreyfihraði séu í samhengi59, er nákvæm stefna orsakasambands milli þessara breyta illa skilin. Til að svara þessari spurningu, framkvæmdum við sjónræna örvun með því að nota 5s ON, 5s OFF hugmyndafræði, og handahófskennd tíðni var valin fyrir hvert örvunartímabil (viðbótarmynd 6j). Þessar örvunartíðnir náðu yfir allt thetaband litrófið (aukamynd. 6k). Eins og við var að búast komumst við að því að náttúrulegar þetusveiflutíðnir eru í beinni fylgni við hlauphraða fyrir eina dæmi mús (R2=0.1114, p Minna en eða jafnt og 0.0001; viðbótarmynd 6l). Mikilvægt er að þegar þetasveiflutíðni stafar af MSoptogenetic stjórn, fer fylgnin niður fyrir tilviljunarstig (R2=0.0006779, p=0.6244; aukamynd 6m) sem bendir til þess að hreyfing ráði þeta tíðni, en ekki á móti. Við endurtókum þessar niðurstöður kerfisbundið í músum og sáum minnkandi fylgni milli þeta tíðni og hreyfihraða undiroptogenetic örvunarstýringar (parað t-próf, t3=3.922, p=0.0295;N {{20 }} mýs; viðbótarmynd 6n). Á heildina litið styðja þessar niðurstöður að augnerfðaörvun okkar breyti ekki hreyfihegðun, sem er mjög viðeigandi fyrir næstu hegðunarpróf.

For more information:1950477648nn@gmail.com