L'inattivazione optogenetica del setto mediale compromette la formazione della memoria per il riconoscimento degli oggetti a lungo termine

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Theta è una delle oscillazioni sincrone extracellulari più importanti del cervello dei mammiferi. Hippocampaltheta si basa su un setto mediale (MS) intatto ed è stato costantemente registrato durante la fase di addestramento di alcuni paradigmi di apprendimento, suggerendo che potrebbe essere implicato nell'elaborazione della memoria a lungo termine dipendente dall'ippocampo.

L’elaborazione della memoria è una funzione importante nel cervello umano. Implica processi come l'identificazione, la codifica, l'archiviazione e il recupero delle informazioni. È un'abilità importante nella nostra vita quotidiana che è strettamente correlata all'apprendimento, al lavoro, all'interazione sociale e ad altri aspetti. La memoria si riferisce alla capacità del cervello umano di conservare le informazioni, che determina la nostra capacità di apprendere dalle esperienze passate e di applicarle alle vite future.

L'elaborazione della memoria è la base per migliorare la memoria. Attraverso efficienti capacità di elaborazione della memoria, possiamo codificare, archiviare e recuperare meglio le informazioni, migliorando così la memoria. Quando dobbiamo memorizzare un'informazione, dobbiamo prima identificare e codificare l'informazione, quindi archiviare l'informazione codificata nella banca della memoria a lungo termine del cervello. Infine, quando abbiamo bisogno di utilizzare queste informazioni, possiamo recuperarle tramite il retrieval. Se questi processi vengono eseguiti in modo efficiente, la nostra memoria migliorerà naturalmente.

Naturalmente, la capacità di elaborazione della memoria non si ottiene da un giorno all’altro e deve essere migliorata attraverso l’allenamento accumulato nel tempo. Ad esempio, in termini di informazioni identificative, possiamo migliorare la nostra sensibilità alle informazioni attraverso l'esercizio continuo, per eseguire un riconoscimento preliminare; in termini di codifica e memorizzazione delle informazioni, possiamo migliorare gli effetti della memoria utilizzando metodi come i palazzi della memoria; In termini di recupero delle informazioni, possiamo migliorare la velocità e la precisione del recupero attraverso la pratica ripetuta.

In breve, l’elaborazione della memoria e la memoria sono inseparabili. Attraverso la formazione e l'accumulo continuo di esperienza, possiamo migliorare la nostra capacità di elaborazione della memoria, migliorando così la nostra memoria e rendendo la nostra vita più colorata. Si può vedere che dobbiamo migliorare la nostra memoria. La Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria perché la Cistanche deserticola è un materiale medicinale tradizionale cinese con molti effetti unici, uno dei quali è quello di migliorare la memoria. L'efficacia della carne macinata deriva dai vari principi attivi che contiene, tra cui acidi, polisaccaridi, flavonoidi, ecc. Questi ingredienti possono favorire la salute del cervello in vari modi.

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La memoria di riconoscimento degli oggetti (ORM) consente agli animali di identificare oggetti familiari ed è essenziale per ricordare fatti ed eventi. Nei roditori, la formazione dell'ORM a lungo termine richiede un ippocampo funzionale, ma il coinvolgimento dell'MS in questo processo rimane controverso. Abbiamo scoperto che addestrare ratti Wistar maschi adulti in un compito di apprendimento che induce ORM a lungo termine che comportava l’esposizione a due nuovi oggetti stimoli diversi, ma comportamentalmente equivalenti, aumentava il potere dell’ippocampo, e che la soppressione di theta tramite l’inattivazione optogenetica della SM causava amnesia.

È importante sottolineare che l’amnesia era specifica per l’oggetto che gli animali stavano esplorando quando la SM era inattivata. Nel loro insieme, i nostri risultati indicano che la MS è necessaria per la formazione di ORM a lungo termine e suggeriscono che l'attività dell'ippocampo theta è causalmente collegata a questo processo.

Parole chiave:

Ritmo theta, amnesia, ippocampo, oscillazioni cerebrali e memoria a lungo termine.

Testo principale

Le oscillazioni neurali sono schemi ritmici ripetitivi di attività elettrica che si verificano spontaneamente o in risposta a stimoli. Teta è una neurooscillazione lenta (5-10 Hz) che si trova prevalentemente nell'ippocampo, in particolare nella regione CA1, dove è più regolare e mostra la massima ampiezza [1]. L'ippocampalteta è sensibile alle lesioni del setto mediale (SM) [2] e, sebbene i suoi correlati comportamentali non siano stati ancora completamente chiariti, ampie prove indicano che supporta l'apprendimento [3–5].

Infatti, theta facilita il potenziamento a lungo termine dell'ippocampo (LTP) [6], il principale modello cellulare della memoria a lungo termine dipendente dall'ippocampo. La memoria di riconoscimento degli oggetti (ORM) consente agli animali di determinare la familiarità degli oggetti ed è vitale per ricordare eventi e pianificare azioni. Nei roditori, l'addestramento in un paradigma di apprendimento basato su ORM attiva diversi percorsi di segnalazione legati alla plasticità e induce LTP CA1 dorsale, indicando che l'ippocampo è essenziale per la formazione di ORM a lungo termine [7–9]. Al contrario, la partecipazione degli Stati membri a questo processo rimane controversa. Ad esempio, le lesioni del setto che compromettono la memoria spaziale e di lavoro non influenzano l'ORM a lungo termine[10, 11] ma la stimolazione della SM attenua il deficit di ORM a lungo termine osservato nei topi epilettici aumentando l'attività theta dell'ippocampo [12].

Pertanto, abbiamo deciso di analizzare se il teta ippocampale regolato dalla SM è effettivamente associato alla ritenzione di ORM a lungo termine. In primo luogo, abbiamo determinato se la formazione di ORM a lungo termine influisce sul teta ippocampale. Per fare ciò, abbiamo impiantato array di elettrodi nella regione dorsale CA1 di ratti Wistar maschi adulti (3 mesi, 300-350 g). Li abbiamo addestrati al nuovo paradigma di riconoscimento degli oggetti, un compito che induce ORM a lungo termine basato sulla preferenza naturale dei roditori per la novità che prevede l'esposizione a due nuovi oggetti diversi ma comportamentalmente equivalenti A e Bin in un'arena familiare di campo aperto per {{10} }min (Fig. 1a) [13]. Una videocamera digitale fissata sopra l'arena è stata utilizzata per tracciare, registrare e analizzare la posizione e il comportamento degli animali con il software del sistema ObjectScan (per i dettagli vedere il file aggiuntivo 1).

Gli eventi di esplorazione sono stati definiti come periodi maggiori o uguali a {{0}}.5- lunghe epoche durante le quali gli animali hanno annusato e/o toccato gli oggetti di stimolo con il muso e/o le zampe anteriori. Tutte le altre epoche di indurimento maggiori o uguali a 0,5 s sono state considerate come eventi di inter-esplorazione e, di questi, abbiamo inoltre considerato solo quelli durante i quali la velocità media di locomozione era inferiore o uguale alla velocità media di locomozione di tutti gli eventi di esplorazione. Eventi duraturi< 0.5 s were excluded from the analysis. Local field potentials (LFP) were recorded continuously during the training session. Signals were amplified, digitized, filtered at cutoff frequencies of 0.3 and 250 Hz, and sampled at 1 kHz. Data from time windows corresponding to exploration and inner exploration events were extracted and analyzed often using built-in or custom-written routines (see Additional file 1 for details). As expected, the exploration time and the number of exploration events during training did not differ between objects A and B (Fig. 1b; t (5)=0.79, P=0.46 for exploration time; t (5)=1.21, P=0.28 for exploration events in paired t-test). 

L'attività esplorativa è stata osservata durante tutta la sessione di formazione (Fig. 1b). Anche l'attività teta era evidente durante questa sessione (Fig. 1c), ma il potere theta, che predice l'apprendimento [14], era particolarmente elevato durante l'esplorazione degli oggetti (Fig. 1d, e ). In effetti, l'analisi degli spettri di potenza ha mostrato che il thetapower durante i periodi di esplorazione degli oggetti era superiore del 36±7% rispetto ai periodi di inter-esplorazione (Fig. 1f, g;F (2, 10)=15.55; P{{12} }.0009. Obj A vs IE, P=0.002, ObjB vs IE, P=0.001 nel test di comparazione multipla di Bonferroni dopo ANOVA unidirezionale RM).

Teta peak frequency did not differ between exploration and inter-exploration events (Fig. 1f; F (2, 10)=3.29; P=0.079 in RM one-way ANOVA). Neither the power nor the peak frequency of theta differed between object A and object B exploration epochs (Fig.  1f; Obj A vs Obj B, P>0.99 per thetapower; Obj A vs Obj B, P=0.13 per la frequenza di picco nel test di confronti multipli di Bonferroni dopo ANOVA unidirezionale RM). Un giorno dopo l'addestramento, la ritenzione dell'ORM a lungo termine è stata valutata riesponendo gli animali all'oggetto familiare A e al nuovo oggetto C. Come previsto, gli animali hanno esplorato preferenzialmente il nuovo oggetto durante il test (TT; Fig. 1h; t (5){ {9}}.95, P=0.0009 in un test t campione con media teorica=50).

Il normale funzionamento della SM è essenziale per l’attività dell’ippocampo theta [2]. L'inattivazione della SM è stata utilizzata in precedenza come strumento per abolire l'ippocampo theta durante l'apprendimento [15]. In precedenza, abbiamo dimostrato che la stimolazione con luce gialla (565 nm) della SM di ratti che esprimono il silenziatore neurale ottico sensibile alla luce gialla archaerodopsina T (ArchT; vedere il file aggiuntivo 1 per i dettagli tecnici) [16] cancella rapidamente e reversibilmente theta nella CA1 dorsale [17] . Pertanto, per analizzare il coinvolgimento della MS nella formazione dell'ORM a lungo termine e per valutare ulteriormente se l'ippocampo theta sia effettivamente collegato a questo processo, i ratti che esprimevano ArchT nella MS sono stati addestrati al nuovo paradigma di riconoscimento degli oggetti utilizzando oggetti di stimolo A e B e gialli la luce è stata consegnata al MSjust durante l'esplorazione dell'oggetto A (Fig. 1i).

Questa procedura non ha influenzato l'attività locomotoria (Fig. 1j, k; t (39)=1.29, P=0.20 per LigthOFF vs LightON A in t-test non accoppiato), tempo di esplorazione dell'oggetto (Fig . 1l; t (39)=1.33, P=0.18 per LigthOFF vs LightON A in t-test non accoppiato), o il numero di eventi di esplorazione (Fig. 1l; t (39){ {16}}.93, P=0.06 per LigthOFF vs LightON A nel test t non accoppiato). L'ORM a lungo termine è stato valutato durante una sessione di test di ritenzione in presenza dell'oggetto familiare A o dell'oggetto familiare B insieme al nuovo oggetto C, effettuata 24-h dopo l'allenamento. Abbiamo scoperto che gli animali che esprimono ArchT non stimolati discriminavano gli oggetti A e B dal nuovo oggetto C (Fig. 1m,n; t (10)=5.96, P<0.0001 for test AC, t (10)=7.48, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50); however, rats that had been delivered yellow light on the MS during object A exploration at training discriminated object B but not object A from novel object C at test (Fig. 1m, n; t (9)=1.38, P=0.19 for test AC, t (8)=7.30, P<0.0001 for test BC in one sample t-test with theoretical mean=50).

L'ampiezza theta dell'ippocampo dipende dalla velocità di locomozione [18], ma è improbabile che i cambiamenti in questa variabile possano spiegare l'aumento della potenza theta che abbiamo osservato durante l'allenamento perché abbiamo confrontato solo eventi di esplorazione con eventi di inter-esplorazione abbinati a velocità simili. È anche improbabile che l'amnesia innescata dall'inattivazione della SM fosse dovuta a un indebolimento della memoria, a prestazioni di allenamento scadenti, a una sovraespressione di costrutti optogenetici o a un effetto dannoso della stimolazione luminosa di per sé, poiché era specifica per l'oggetto che gli animali stavano esplorando quando veniva applicata la soppressione optogenetica e l'erogazione della luce. non ha influenzato l'esplorazione dell'oggetto. La SM non proietta solo all'ippocampo ma anche alla corteccia cingolata anteriore (ACC) [19]. Pertanto, l’amnesia indotta dall’inattivazione della MS potrebbe essere potenzialmente causata dalla compromissione di questa interazione.

Tuttavia, l'ACC non è coinvolto nella formazione dell'ORM a lungo termine [20] e l'inibizione delle proiezioni MS-ACC non influenza questa forma di memoria di tipo dichiarativo [21]. Pertanto, non è plausibile che l’interruzione della funzione dell’ACC possa spiegare i nostri risultati, probabilmente dovuti all’inibizione dell’ippocampo theta. L'idea che l'ippocampo sia necessario per l'elaborazione dell'ORM ha ricevuto ampio supporto sperimentale, ma non è accettata all'unanimità [22]. Ad esempio, la somministrazione di muscimola intra-ippocampale pre-allenamento influenza l'ORM solo quando l'intervallo di allenamento è più lungo di 10 minuti [23], suggerendo che l'ippocampo non è richiesto per il richiamo dell'ORM a breve termine, che altre regioni del cervello assumono il ruolo dell'ippocampo a breve termine. l'elaborazione dell'ORM a breve termine quando rimane disabilitato per un lungo periodo, o che l'ORM a breve e lungo termine coinvolge meccanismi indipendenti, come è stato riportato per altri tipi di memoria [24].

A questo proposito, i nostri dati indicano che l'ippocampo è fondamentale per la formazione dell'ORM a lungo termine e confermano ulteriormente l'idea che le due memorie di oggetti a lungo termine acquisite durante l'addestramento nel nuovo compito di riconoscimento degli oggetti sono indipendenti [13]. Inoltre, il fatto che gli animali avessero amnesia solo per l'oggetto che stavano esplorando quando la MS era inattivata indica fortemente che theta non è solo un sottoprodotto della plasticità neurale indotta dall'apprendimento ma è funzionalmente collegato ai calcoli che avvengono nell'ippocampo durante la formazione dell'ORM a lungo termine.

Riferimenti

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