La codificación de frecuencia optogenética de las oscilaciones theta del hipocampo disocia la recuperación de la memoria de trabajo de los códigos espaciotemporales del hipocampo, parte 1

Se cree que la coordinación temporal precisa de la actividad en el cerebro es fundamental para la función de la memoria. Las neuronas inhibidoras del tabique medial proporcionan una importante fuente de inervación para el hipocampo y desempeñan un papel importante en el control de las oscilaciones theta (~8 Hz) del hipocampo. Si bien se sabe que la inhibición farmacológica de las neuronas del tabique medial altera la memoria, no se comprende completamente el papel exacto de las neuronas inhibidoras del tabique en la regulación de las representaciones del hipocampo y la memoria.

La relación entre la actividad cerebral y la memoria está estrechamente relacionada. Nuestra memoria está estrechamente ligada al funcionamiento de nuestro cerebro, uno de los principales órganos de nuestro cuerpo que controla cómo pensamos, sentimos y actuamos. Por lo tanto, si queremos tener mejores recuerdos, debemos utilizar nuestro cerebro de manera más eficiente.

Primero, necesitamos entender cómo funciona nuestro cerebro. Hay una parte del cerebro llamada hipocampo, que es nuestro centro de la memoria. Se encarga de convertir la información procesada en memoria a largo plazo y almacenarla en nuestro cerebro. Los factores que afectan la función del hipocampo son principalmente la circulación sanguínea del cerebro y la cantidad y calidad de las células nerviosas.

En segundo lugar, debemos prestar atención a mantener activo el cerebro. Al aprender continuamente cosas nuevas, el cerebro procesa la información y recuerda la memoria con más frecuencia, lo que promueve la salud del hipocampo y una mejor memoria. Por tanto, podemos mantener nuestro cerebro activo y mejorar nuestra memoria leyendo libros, aprendiendo idiomas, ejercitando la memoria, etc.

Por último, debemos prestar atención a mantener buenos hábitos de vida. Por ejemplo, dormir lo suficiente, llevar una dieta equilibrada y hacer ejercicio con regularidad puede ayudar a promover un cerebro y un cuerpo sanos, mejorando así nuestra memoria.

En definitiva, la actividad cerebral y la memoria están estrechamente relacionadas. Podemos promover la salud y el entrenamiento del cerebro en muchos aspectos, mejorando así nuestra memoria y afrontando diversos desafíos en la vida y el trabajo. Se puede ver que necesitamos mejorar nuestra memoria. Cistanche deserticola puede mejorar significativamente nuestra memoria porque Cistanche deserticola es un material medicinal tradicional chino que tiene muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de la carne picada proviene de los diversos ingredientes activos que contiene, incluidos ácidos, polisacáridos, flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro de varias maneras.

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Aquí, disociamos el papel de los ritmos theta en la codificación espaciotemporal y la memoria utilizando un enfoque de interrogatorio y registro totalmente óptico. Descubrimos que las estimulaciones optogenéticas de codificación de frecuencias suprimen las oscilaciones theta y modulan una porción de neuronas en el hipocampo. Tal estimulación disminuyó la recuperación de la memoria episódica y de trabajo, dejando intactos los códigos espaciotemporales del hipocampo. Nuestro estudio sugiere que los ritmos theta desempeñan un papel esencial en la memoria, pero pueden no ser necesarios para los códigos espaciotemporales del hipocampo.

Se cree que la coordinación temporal precisa de la actividad neuronal es fundamental para la codificación y recuperación de la memoria. En particular, se ha propuesto que el tabique medial (MS) actúa como el principal zeitgeber para las estructuras posteriores y proporciona las mayores entradas subcorticales al hipocampo1. La EM es una estructura neuroquímicamente heterogénea compuesta por neuronas GABAérgicas2, principalmente neuronas positivas para parvalbúmina (PV), junto con neuronas colinérgicas4 y una población más pequeña de neuronas glutamatérgicas5,6.

Las células MS PV se proyectan directamente sobre las interneuronas GABAérgicas en el hipocampo dando lugar al control inhibidor anticipado de las células piramidales del hipocampo3. Además, las interneuronas PV dentro del hipocampo son esenciales para estimular los ritmos theta (~8 Hz)7, y la estimulación optogenética de las neuronas PV de MS directamente8,9 o de sus terminales10 en el hipocampo se asocia con la estimulación de frecuencia específica de las oscilaciones del hipocampo, mientras que la inhibición de la MS in vivo se ha asociado con una potencia de oscilación theta reducida11–13.

Si bien la inhibición optogenética completa de la EM se ha asociado con alteraciones de la memoria espacial14, estos efectos podrían atribuirse potencialmente a la alteración de las funciones colinérgicas15,16, que se sabe que son críticas para la memoria. Más recientemente, la actividad de las células PV de la EM no colinérgicas es necesaria para la codificación y recuperación de la memoria17,18. En particular, el hipocampo también es una estructura central para la memoria episódica19,20 y de trabajo21. Dado que la EM es esencial para generar y mantener los ritmos theta del hipocampo, es probable que la interrupción de la actividad de la EM afecte la fisiología posterior del hipocampo y la memoria de trabajo22.
Aunque actualmente se desconocen los mecanismos fisiológicos exactos de la memoria dependiente del hipocampo, se ha propuesto que las células del hipocampo23 que codifican ubicaciones específicas de un contexto determinado podrían respaldar la memoria episódica24. En el subcampo CA1 del hipocampo, la sintonización espacial depende de entradas sensoriales contextuales25. Otras variables como el tiempo y la distancia también pueden codificarse durante la locomoción guiada visualmente26,27 pero también en ausencia de señales sensoriales28, probablemente utilizando información interna, incluido el automovimiento29 (ver Mehta30 y McNaughton31 para una revisión).

Las representaciones del tiempo y el espacio pueden representarse de forma conjuntiva en las neuronas del hipocampo, y dichos códigos espaciotemporales multiplexados podrían ser un sustrato candidato para la memoria de trabajo 32-34. Además de captar señales visuales distales usando una cinta rodante35–37 o usando paradigmas de realidad virtual26,27,38, los códigos espaciotemporales también se han extraído analíticamente usando modelos lineales generalizados que implementan el espacio, el tiempo y la distancia37. Sin embargo, estos enfoques no se han empleado ampliamente en registros de actividad neuronal durante la exploración libre.

Varios estudios sugieren que los ritmos theta del hipocampo podrían ser la base de los códigos temporales, ya que los ritmos theta orquestan estrechamente la actividad del hipocampo. Si bien también se han informado células de tiempo en CA1 y CA3 de roedores que realizan tareas que no requieren memoria de trabajo41, la inhibición farmacológica de la EM produce una interrupción específica de las células de tiempo pero no de lugar y se asocia con una disminución de la memoria de trabajo36. Un inconveniente importante de los enfoques farmacológicos es que no distinguen la contribución relativa de las células GABAérgicas frente a las colinérgicas a la función de la memoria. En particular, se descubrió que la inhibición de la actividad colinérgica de la EM altera las representaciones espaciales del hipocampo43 y disminuye el rendimiento de la memoria de trabajo44,45. Sorprendentemente, la inhibición farmacológica de la EM se asoció con una reducción del poder de oscilación theta pero no con los campos de lugar46, y esta resiliencia de la actividad de las células de lugar durante la disminución de theta no se debió a mecanismos de plasticidad relacionados con la experiencia47.

Los intentos anteriores de inhibir las interneuronas GABAérgicas de la EM utilizando específicamente la optogenética se asociaron sólo con una reducción parcial, pero no con una alteración completa de las señales theta13. A su vez, la estimulación optogenética de la oscilación theta solo se ha asociado con cambios menores en las características de las células de lugar, incluido un ligero cambio en la frecuencia de disparo9 y la fase48. Además, si bien se plantea la hipótesis de que las entradas de la EM podrían controlar directamente los códigos temporales del hipocampo, aún falta evidencia causal. Hasta el día de hoy, se desconoce el papel exacto de las neuronas MS-PV en la orquestación de los códigos espaciotemporales y la memoria del hipocampo.

Aquí, controlamos la actividad de MS PV usando optogenética para acelerar o abolir las oscilaciones theta usando una opsina excitadora desplazada al rojo. Proponemos un enfoque para abolir completamente los teatroritmos del hipocampo basado en estimulaciones optogenéticas de codificación de frecuencia de las neuronas de la EM. Alternativamente, marcar los ritmos theta en su frecuencia natural en los mismos animales proporciona controles dentro del sujeto. Combinamos control optogenético con imágenes de calcio de células piramidales CA1 en ratones que corrían en una pista lineal con tonos secuenciales.

En estas condiciones, podríamos separar celdas de lugar, tiempo y distancia utilizando un enfoque teórico de la información. Al realizar una codificación de frecuencia optogenética de señales theta, se preservaron las representaciones de lugar y tiempo y solo un pequeño subconjunto de células piramidales CA1 fue modulado mediante estimulación. Luego descubrimos que la ablación de la oscilación theta se asoció con una recuperación deficiente de la memoria de trabajo, lo que sugiere que las células PV de MS desempeñan un papel crítico en la generación de oscilaciones theta del hipocampo que son necesarias para la recuperación de la memoria pero que no están involucradas en las representaciones espaciotemporales.

Resultados

Las células piramidales CA1 codifican información espaciotemporal.

Para examinar los códigos espaciotemporales en grandes poblaciones de células principales CA1, inyectamos un vector viral que expresa GCaMP6fast bajo un promotor CamKII en la región CA1 del hipocampo, implantamos una lente GRIN sobre el sitio de la inyección y realizamos registros de imágenes de calcio de neuronas piramidales utilizando miniscopios de código abierto49 , 50 (Fig. 1a, b; consulte la Fig. 1 complementaria para obtener una histología detallada). Extrajimos huellas espaciales de neuronas (Fig. 1c) y sus correspondientes transitorios de calcio (Fig. 1d) utilizando CNMFe51. Para separar las propiedades de sintonización espacial y temporal de las células principales, desarrollamos una tarea que combina una pista lineal con señales de tres tonos activadas por sensores de movimiento en ambos extremos de la pista. Se activó instantáneamente un nuevo tono al final de cada ejecución, informando a los ratones de su progresión hacia la entrega de recompensas.

Cada cuarta carrera fue indicada con un tono agudo y continuo que se asoció con la entrega de una recompensa al final de la pista lineal (Fig. 1e). Se monitoreó la ubicación absoluta de cada ratón, junto con el tiempo transcurrido y la distancia recorrida desde la salida del sitio de recompensa (Fig. 1f). Utilizando estas variables y la actividad neuronal binarizada, calculamos curvas de sintonización probabilísticas (Fig. 1g) y derivamos información mutua (IM) entre la actividad neuronal y la ubicación, el tiempo y la distancia para cada célula registrada. A diferencia de los análisis basados ​​en correlaciones, la IM no supone relaciones lineales y monótonas entre la actividad neuronal y las variables de comportamiento, sino que expresa la cantidad de incertidumbre de una variable que puede explicarse por la otra.

La importancia de los valores de IM se probó utilizando sustitutos barajados que se sometieron a permutaciones circulares (n {{0}}) para preservar la dinámica temporal de los transitorios de calcio. Las neuronas que codificaban exclusivamente una variable con un IM mayor que los sustitutos mezclados el 95% del tiempo (p menor o igual a 0,05) se etiquetaron como moduladas por lugar (espacial), moduladas por tiempo (temporal) o moduladas por distancia (ver Métodos). Para los siguientes análisis, nos centramos en células candidatas que solo codificaban una variable significativa (Fig. 1h). Es importante destacar que las células moduladas en el tiempo no estaban sistemáticamente activas en ubicaciones particulares, y las células moduladas en el lugar no estaban sistemáticamente activas en un momento dado (Fig. 1i, j).

Si bien la mayoría de las células que codificaban una sola variable estaban moduladas en el lugar, una gran parte de las neuronas eran neuronas conjuntivas que codificaban más de una variable (17,98 ± 1,77%). Por el contrario, el lugar de codificación de células representó exclusivamente el 9,02 ± 1,61% de la población total registrada, mientras que el 1,79 ± 0.68% de la distancia codificada selectivamente y el 1,27 ± 0,09% del tiempo codificado selectivamente (Fig. 1k; adicional). En la figura complementaria 2 se muestran ejemplos de neuronas sintonizadas con el tiempo, el espacio o la distancia junto con su contenido de información.

Aunque nuestro enfoque teórico de la información puede desenredar variables superpuestas aislando células que solo codifican significativamente una variable, probamos además la relevancia de cada tipo de célula en la codificación de variables espaciotemporales utilizando un clasificador bayesiano ingenuo para decodificar la ubicación (Fig. 1l-n), el tiempo transcurrido. (Fig. 1o – q) y la distancia recorrida (Fig. 1r – t) en la pista lineal52.

Estimamos el estado actual de cada ratón calculando el valor máximo a posteriori (MAP) dada la actividad neuronal y las curvas de sintonización con arranque calculadas utilizando la actividad binarizada real o barajada circularmente (Fig. 1l, o, r; consulte Métodos para un protocolo detallado). La calidad de las predicciones se evaluó utilizando matrices de confusión (Fig. 1m, p, s) y calculando la distancia euclidiana entre el estado predicho y el estado real (Fig. 1n, q, t). Es importante destacar que nuestro decodificador bayesiano arrojó un error promedio de 16,58 cm, que fue significativamente menor que cuando se decodificaba a partir de sustitutos aleatorios (5{{10}}.95 cm; prueba t pareada, t4=19.75 ,p Menor o igual a 0.0001), y la decodificación usando celdas moduladas espacialmente fue significativamente más precisa que cuando se usan celdas no moduladas espacialmente (prueba t pareada, t4=34.54, p Menos mayor o igual a 0,0001; Fig. 1n). De manera similar, el error de decodificación promedio para el tiempo transcurrido fue de 6,45 s, que fue significativamente menor que el error calculado usando sustitutos aleatorios (19,12 s; prueba t pareada,t4=18.01, p menor o igual a 0,0001).

La decodificación utilizando celdas moduladas en el tiempo produjo una precisión significativamente mayor en comparación con celdas no moduladas en el tiempo (prueba t pareada, t4=3.163, p=0.0341; Fig. 1q). . Finalmente, el error de distancia promedio usando nuestro decodificador fue de 61,40 cm, que fue significativamente menor que el de los sustitutos mezclados (189,6 cm; prueba t, t4=28.79, p menor o igual a 0,0001). La decodificación utilizando celdas moduladas en distancia produjo errores significativamente menores en comparación con las celdas sin modulación en distancia (prueba t, t4=4.595, p=0.0101; Fig. 1t).

Control optogenético selectivo de MS de las oscilaciones theta.

Para examinar la contribución relativa de las señales theta generadas por la EM a los códigos espaciotemporales del hipocampo, transfectamos la opsina excitadora desplazada al rojo ChrimsonR en la EM (Fig. 2a). A diferencia de las inhibidoropsinas, ChrimsonR nos permitió codificar o acelerar las señales theta dentro de los sujetos. Además, ChrimsonR es más eficaz que la canalrodopsina-2, más utilizada, y proporciona la capacidad de combinar la optogenética con imágenes de calcio53. 14,91 ± 3,57% de las células PV expresaron ChrimsonR, lo que encontramos suficiente para ejercer un control generalizado sobre las oscilaciones del hipocampo (n=4 ratones; Fig. 2b, c). Por el contrario, prácticamente no encontramos expresión de ChrimsonR en células ChAT (1,05 ± 1,052% de las células ChAT también expresaron ChrimsonR; Fig. 2d, e).

Luego implantamos ratones con fibra óptica sobre el MS. Realizamos estimulación con láser de 638 nm mientras registramos los potenciales de campo locales (LFP) en CA1 (Fig. 2f). Descubrimos que la estimulación optogenética de MS codificada y de 8 Hz podría interrumpir o acelerar las oscilaciones theta, respectivamente (Fig. 2g). Si bien la theta natural de referencia muestra cierta variabilidad de frecuencia en la banda de frecuencia de 4 a 12 Hz, las estimulaciones de 8 Hz condujeron a oscilaciones consistentes y estables del hipocampo en esa frecuencia. Por el contrario, las estimulaciones codificadas abolieron consistentemente los ritmos theta (Fig. 2h).

Encontramos que la fuerza de oscilación (OS) en la banda theta (ver Métodos) disminuyó significativamente con estimulaciones codificadas ({{0}}.45 ± 0.01) en comparación con las épocas de referencia. (0.67 ± {{10}}.01,p Menor o igual a 0.00{ {29}}1) y no fueron significativamente diferentes de la OS de la señal de control de ruido blanco (0.50 ± 0,01, p=0.99). Por otro lado, las estimulaciones de 8 Hz aumentaron significativamente la potencia theta (0,82 ± 0,01, p menor o igual a 0,0001; n=59 épocas; Fig. 2i) en comparación con las estimulaciones codificadas. También encontramos una interacción significativa entre nuestros patrones de estimulación y la banda de frecuencia de LFP (F10=6.467, p menor o igual a 0,0001). En particular, la estimulación de frecuencia codificada disminuyó significativamente la potencia theta (0,341 ± 0,06 porción de la potencia de la banda theta inicial; p=0.0394, prueba t por pares), mientras que las estimulaciones de 8 Hz aumentaron significativamente la potencia theta (3,302 ± 0,76 porción de la potencia de la banda theta inicial , p=0.0004, prueba t por pares; Fig. 2j) dejando otras bandas de frecuencia inalteradas.

Si bien nuestros análisis electrofisiológicos y de imágenes de calcio solo incluyeron períodos de locomoción (ver Métodos), también descubrimos que pudimos abolir de manera confiable (Figuras complementarias 3a, b) o ritmo (Figuras complementarias 3a, c) las oscilaciones theta independientemente del estado locomotor ( incluidos periodos de descanso). Si bien theta OS natural se correlaciona con la velocidad locomotora (Pearson R 2=0. 059, p=0. 001; n=179 épocas independientes; figura complementaria 3d), la abolición de theta condujo a una pérdida de dicha velocidad. correlación (Pearson R2=0.008, p=0.223; n=179 épocas independientes; Fig. complementaria 3e), al igual que las estimulaciones de 8 Hz (PearsonR2=0.0008, p=0.714; n=177 épocas independientes; figura complementaria 3f) lo que sugiere que los estados locomotores no anulan los efectos de las estimulaciones optogenéticas sobre las oscilaciones theta.

Las ondas agudas (ROE) del hipocampo desempeñan un papel esencial en la consolidación de la memoria54–56 y la estimulación de las neuronas colinérgicas de la EM se ha asociado con una actividad reducida de las ondas57 y un deterioro de la memoria de trabajo45. Aunque prácticamente no encontramos expresión de ChrimsonR en las neuronas colinérgicas de la EM, fue esencial medir el impacto de nuestra estimulación optogenética de la EM en la fisiología de la onda. Con este fin, registramos CA 1- LFP y realizamos estimulación doptogenética codificada con 5 segundos activados y 5 segundos desactivados en ratones que se comportaban libremente y exploraban un campo abierto (Figura complementaria 4a). Medimos los atributos de los eventos de onda antes y durante la estimulación codificada, y no encontramos cambios en la potencia (prueba t de dos colas no apareada, t6=0.076, p=0.941; Fig. complementaria 4b, izquierda panel), frecuencia de aparición (prueba t no apareada, de dos colas, t6=−1.688, p=0.142; Fig. complementaria 4c, panel izquierdo), o ancho (no apareada, prueba de dos colas Prueba t, t6=0.124, p=0.905; figura complementaria 4d, panel izquierdo).

De manera similar, la aplicación de estimulación optogenética de 8 Hz no tuvo efectos discernibles sobre la potencia de ondulación (prueba t de dos colas no apareada, t6=0.378, p=0.718; figura complementaria 4b, panel derecho). frecuencia (prueba t no apareada, de dos colas, t{{10}} −1.643, p=0.151; Figura complementaria 4c, panel derecho) y ancho (prueba t no apareada, de dos colas Prueba t, t6=−0.138,p=0.894; Figura complementaria 4d, panel derecho). Junto con nuestros resultados histológicos y un informe previo de que la estimulación optogenética de las neuronas colinérgicas de la EM reduce la aparición de ROE57, encontramos que estas estimulaciones optogenéticas no afectan las entradas colinérgicas al hipocampo.

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