Editat * de Nancy J. Kopell, Universitatea Boston, Boston, MA și aprobat la 3 martie 2010 (primit pentru revizuire 30 octombrie 2009)

comodacului

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).

TBS a îmbunătățit performanța memoriei la șobolani MSI în comparație cu MSI singur (Fig. 5A, Fig. S3 C și D și Tabelul S1) și a crescut semnificativ TGC (Fig. 5B și Tabelul S2). Mărimea absolută a puterii theta sau gamma singure nu a prezis performanța memoriei în niciun protocoal de stimulare MSI + (Fig. S5). Astfel, TGC indus artificial a salvat parțial performanța memoriei spațiale, sugerând că TGC angajează un mecanism de memorie critic. Într-adevăr, TGC ridicat a prezis semnificativ performanța de succes, indiferent de starea de stimulare (Fig. 5 și Fig. S5C și S6).

Stimularea FFx modelată a modulat TGC și performanța memoriei. (A) Condiții de tratament vs. distanță de evadare pentru toate încercările. Fiecare tratament este descris într-o culoare unică. Suporturile și asteriscurile indică diferențe semnificative de tratament în ceea ce privește performanța sarcinii (F7.333 = 15.38, P 100 Hz). Electrodul de stimulare a fost deplasat greșit de la ținta sa și a activat structurile de lob temporal temporal mesial ipsilateral activat prin stimularea axonilor en passant ai fornixului. Rezultatele prezente sugerează că protocoalele de stimulare modelate sau alte mijloace de conducere a comodulării oscilațiilor specifice ale creierului ar putea oferi o abordare utilă pentru dezvoltarea tratamentelor terapeutice pentru tulburările neurocognitive.

Metode

Animale.

Șase șobolani Evans (350-400 g) masculi de 3 luni lungi (Laboratoarele Harlan) au fost adăpostiți individual și au fost menținuți pe un ciclu de lumină/întuneric de 12 ore, cu hrană și apă disponibile ad libitum. Șobolanii au fost aclimatizați la vivariu și manipulare timp de 1 săptămână. Toate procedurile cu animale au respectat ghidurile Institutelor Naționale de Sănătate și au fost aprobate de Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor Mount Sinai.

Proiectare experimentală.

Proiectul experimental este prezentat în Fig. S1. Șobolanilor li s-au implantat canule de perfuzie și electrozi. După recuperarea după operație, fiecare șobolan a fost căutat timp de 2 zile într-un labirint radial de apă și apoi a fost atribuit unei secvențe pseudorandom de tratament de stimulare și perfuzie. Fiecare șobolan a primit un tratament în fiecare zi timp de 10 zile, în timp ce comportamentul și fiziologia au fost înregistrate, au fost testate netratate în aceeași sarcină pentru o zi suplimentară și apoi au primit perfuzii de muscimol și testate într-o sarcină de abordare independentă a hipocampului aparat. Plasamentele de electrozi și canule au fost inspectate histologic și doar șobolanii cu plasamente corecte (n = 6) au fost incluși în studiu.

Interventie chirurgicala.

Șobolanii au fost anesteziați cu 2,5-5,0% izofluoran (Baxter) și poziționați într-un cadru stereotaxic. Scalpul a fost incizat și retras, iar cinci găuri ale craniului au fost forate pentru plasarea șuruburilor. Două șuruburi ale craniului au fost lipite pe sârmă magnetică (calibru 32; Sârmă Belden) fixate cu știfturi de amfenol pentru împământare. O canulă de ghidare (C/315; Plastics One) [anteroposterior (AP) 0,2 mm; mediolateral (ML) 1,06 mm; și dorsoventral (DV) −6,09 mm față de bregma, înclinare de 10 ° față de normal în planul ML], un electrod de înregistrare (AP −3,8 mm, ML −2,5 mm, DV −3,2 mm) și un electrod de stimulare (AP - 0,8 mm, ML 0,95 mm, DV -3,92 mm, înclinare de 14 ° în planul ML) au fost coborâți la țintele lor în MS, hipocampus și, respectiv, FFx. Electrozii au fost introduși într-o mufă Carleton cu nouă pini (Universitatea Carleton), iar electrozii, canula și mufa au fost fixați pe craniu cu Grip Cement (Dentsply Inc.). O canulă falsă (Plastics One) a fost introdusă în canula de ghidare, iar animalele au fost returnate la unitatea de cazare și au fost lăsate să se recupereze timp de 10 zile.

Aparate electrice și stimulare.

Electrozii bipolari utilizați pentru stimulare și înregistrare (sârmă acoperită cu email din oțel inoxidabil, diametru de 100 μm; MWS Wire Co.) aveau vârfuri separate vertical cu 0,5 mm pentru electrozi FFx și cu 1 mm pentru electrozi de hipocamp. Două canale au înregistrat LFP diferențial între polii electrodului de hipocampus bipolar. Semnalele au fost preamplificate de către un adept al sursei de scenă, transmise printr-un cablu de legare și un comutator, amplificate (filtru de bandă de 1-300 Hz; Grass Instruments P511) și digitalizate de computer (1-s sweeps, 200-Hz sample rate) (Datawave Tehnologii). Un tip de electrod de hipocampus bipolar a fost plasat deasupra stratului celular piramidal al CA1, iar celălalt tip a fost plasat în fisura hipocampală (Fig. 1B și Fig. S1). Testele cu mișcare mare sau cu artefacte electrice au fost excluse din analize ulterioare. Deoarece rata de eșantionare a LFP în studiul nostru (200 Hz) a fost substanțial mai mică decât cea necesară pentru a detecta artefacte de stimul (cu o lățime a impulsului de 100 μs, echivalentă cu 10 kHz) în datele brute, artefacte de stimul nu au apărut în înregistrarea forme de undă (Fig. S7). Parametrii de stimulare electrică TGC și experimente separate pentru a verifica dacă rata de eșantionare nu a influențat semnificativ rezultatele sunt descrise în metodele SI .

Infuzii MS.

Animalele au fost ușor anesteziate cu 5% izofluoran chiar înainte de perfuzie (0,25 μL/min) fie cu soluție salină (0,5 μL, 0,9%), fie cu muscimol (0,5 μL; 0,1 μg/μL muscimol în soluție salină; Sigma). O canulă de injecție de calibru 33 a trecut prin canula de ghidare și s-a conectat la o microseringă Hamilton cu o unitate electronică (Harvard). Canula a fost lăsată la loc timp de 3 minute după perfuzie. Experimentele de comportament și stimulare au început 30 de minute mai târziu, aproximativ 10 minute după ce șobolanii s-au recuperat complet din anestezie și au fost mobili. Eficacitatea muscimolului a fost evaluată comparând vizual amplitudinea teta hipocampală după MSI cu înregistrările anterioare după perfuzii saline. Evaluarea a fost făcută de un experimentator orb de starea de tratament.

Comportament.

Labirintul de apă cu braț radial a fost un rezervor circular (170 cm în diametru, 63,5 cm înălțime) cu șase separatoare triunghiulare la distanță egală utilizate pentru a crea șase brațe (Fig. 1C). Rezervorul a fost umplut la 38 cm adâncime cu apă (24 ± 2 ° C) făcut opac cu vopsea tempera albă (Dick Blick Art Materials). O platformă transparentă de plexiglas (10,5 × 10,5 cm) a fost plasată la capătul unui braț, adiacent la peretele rezervorului și scufundată la 2 cm. Brațul obiectivului a fost selectat pseudorandom la începutul fiecărei sesiuni de testare, iar platforma a rămas în loc pe parcursul celor 10 încercări ale acelei sesiuni. Pentru fiecare test, brațul de start a fost ales pseudorandomial dintre cele cinci brațe rămase, secvența pseudorandomiară repetându-se după încercarea 5. În timpul studiilor de abordare cu tac, platforma a fost marcată de un reper negru proeminent. Un sistem computerizat de urmărire (Datawave Technologies) a înregistrat și a analizat datele despre calea de înot, inclusiv distanța de evacuare (în centimetri), latența de a ajunge la platformă (în secunde) și viteza medie de înot.

Fiecare sesiune de testare a avut 10 încercări. La începutul fiecărui proces, șobolanul a fost plasat în apă la marginea rezervorului, cu fața către perete și i s-a permis 60 de secunde să localizeze platforma; animalele care nu reușeau să scape erau ghidate spre platformă. Șobolanul a fost lăsat să se odihnească pe platformă timp de 15 secunde și apoi a fost plasat pe o etapă de așteptare pentru încă 15 secunde înainte de începerea următorului proces (interval intertrial de 30 de secunde). Erorile au fost numărate când picioarele din spate ale șobolanului au intrat într-un braț nongoal. Încercările de succes au fost definite operațional ca încercări cu una sau fără erori; toate celelalte studii au fost considerate erori. Testarea tacurilor și manipulările comportamentale sunt descrise în Metodele SI .

Histologie.

Șobolanii au fost perfuzați intracardic cu 4% paraformaldehidă, iar creierele au fost postfixate și crioprotejate în soluții de 4% paraformaldehidă și 18% sau 30% zaharoză. Secțiunile seriale de 50 μm au fost tăiate pe un microtom înghețat glisant și colorate cu tionină (37). Amplasarea canulei MS și a celor doi electrozi bipolari a fost confirmată prin inspecție microscopică (Fig. S1).

Analiza de comodulare spectrală și cu frecvență încrucișată.

Spectrogramele au fost calculate cu spectrograma multitaper folosind Matlab Chronux Toolbox (MathWorks) (Metode SI). Comodogramele cu frecvență încrucișată au fost generate pentru fiecare proces, luând corelația încrucișată a spectrogramei cu un singur proces pe toate frecvențele. Comodularea a fost măsurată ca corelație între seria de timp a puterii spectrale pentru toate perechile de frecvențe. TGC a fost definit ca valorile medii de corelație în intervalul de intersecție teta-gamma (casetă punctată în Fig. 3 A - F și metodele SI).

Analize statistice.

Toate rutinele de analiză și procesare statistică au fost programate în Matlab 7.7 (Mathworks) folosind cod personalizat. Diagramele ANOVA și modelele de regresie au fost calculate utilizând Systat 12 (www.systat.com). Regresiile liniare au folosit metoda obișnuită a celor mai mici pătrate. Valorile corelației puterii TGC (r) au fost transformate de Fisher (pentru a normaliza varianța) înainte de a calcula regresiile liniare. Cu excepția cazului în care se indică altfel, măsurile de performanță a sarcinii au fost comparate între condiții, utilizând ANOVA-uri cu măsuri repetate cu opt căi și teste posthoc cu diferența cea mai mică semnificativă (LSD) a lui Fisher. Pentru toate comparațiile, α = 0,05.

Mulțumiri

Mulțumim lui Alex Morrison și Julius Arijeloye pentru acordarea asistenței tehnice, Janinei Ferbinteanu, Pamela Kennedy, Amir Bahar, Justin Riceberg, Jake Young, Kimberly Kwei, Marshall Crumiller și Caroline Dias pentru comentariile lor asupra manuscrisului și Maojuan Zhuang pentru munca tehnică. Această lucrare a fost susținută parțial de Institutul Național pentru Îmbătrânirea Programului de Cercetare Intramurală, Institutul Național de Granturi în Sănătate MH65658, MH073689 și F30 AG034003-01A1 și Școala de Medicină Mount Sinai.

Note de subsol

    1 Cui trebuie să i se adreseze corespondența. E-mail: matthew.shapiromssm.edu .

Contribuțiile autorului: P.S., P.R.R. și M.L.S. cercetare proiectată; P.S. cercetări efectuate; P.R.S. și M.L.S. date analizate; și P.S. și M.L.S. a scris ziarul.

Autorii nu declară niciun conflict de interese.

↵ * Acest articol de trimitere directă avea un editor prestabilit.

Disponibil gratuit online prin opțiunea de acces deschis PNAS.