Časť 1: Dopamínový gradient riadi prístup k distribuovanej pracovnej pamäti vo veľkej opičej kôre
Mar 19, 2022
Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Sean Froudist-Walsh,1 Daniel P. Bliss,1 Xingyu Ding,1 Lucija Rapan,2 Meiqi Niu,2 Kenneth Knoblauch,3,4 Karl Zilles,2,8 Henry Kennedy,3,4,5,7 Nicola Palomero-Gallagher ,2,6,7 a Xiao-Jing Wang1,7,9,*
1Center for Neural Science, New York University, New York, NY 10003, USA
2 Výskumné centrum Julich, INM-1, Julich, Nemecko
3 INSERM U846, Stem Cell & Brain Research Institute, 69500 Bron, Francúzsko
4 Universite' de Lyon, Universite' Lyon I, 69003 Lyon, Francúzsko
5 Ústav neurovied, Štátne kľúčové laboratórium neurovied, Čínska akadémia vied (CAS), Kľúčové laboratórium neurobiológie primátov CAS, Šanghaj, Čína
SÚHRN
Dopamín je potrebný napracovná pamäť, ale ako moduluje rozsiahly kortex nie je známy. Tu uvádzame, že hustota dopamínového receptora na neurón, meraná autorádiografiou, vykazuje makroskopický gradient spolu s kortikálnou hierarchiou makaka. Tento gradient je začlenený do rozsiahleho kortexového modelu založeného na konektóme, ktorý je vybavený viacerými typmi neurónov. Model zachytáva závislosť v tvare obráteného U opracovná pamäťna dopamín a priestorové vzorce pretrvávajúcej aktivity pozorované vo viac ako 90 experimentálnych štúdiách. Okrem toho sme ukázali, že dopamín je rozhodujúci pre odfiltrovanie irelevantných stimulov zvýšením inhibície z interneurónov zacielených na dendrity. Náš model odhalil, že stopa tichej pamäte aktivity môže byť realizovaná uľahčením medziareálnych spojení a že úprava kortikálneho dopamínu indukuje prepnutie z tohto stavu vnútornej pamäte na distribuovanú pretrvávajúcu aktivitu. Naša práca predstavuje medziúrovňové porozumenie od molekúl a typov buniek až po dynamiku opakujúcich sa okruhov, ktorá je základom základnej kognitívnej funkcie distribuovanej v kôre primátov.
ÚVOD
Naša schopnosť premýšľať cez ťažké problémy bez rozptýlenia je charakteristickým znakom poznania. Keď čelíme neustálemu prúdu informácií, musíme mať určité informácie na pamäti a chrániť ich pred rozptýlením. Napríklad, keď v supermarkete hľadáte svoje obľúbené maslo, je dôležité mať na pamäti jeho výrazný zlatý obal a nenechať sa rozptyľovať mnohými inými mliečnymi výrobkami. Táto funkcia mozgu sa nazývapracovná pamäť. Pracovná pamäť často zapája trvalú nervovú aktivitu, ktorá je špecifická pre informácie, ktoré si treba zapamätať. Táto mnemotechnická aktivita je udržiavaná interne vo viacerých kortikálnych a subkortikálnych oblastiach bez vonkajšej stimulácie (Funahashi a kol., 1989; Fuster a Alexander, 1971; Guo a kol., 2017; Leavitt a kol., 2017; Mejias a Wang, 2021; Men-doza-Halliday a kol., 2014; Murray a kol., 2017; Romo a kol., 1999; Romo a Salinas, 2003; Vergara a kol., 2016; Wang, 2001; Zhang a kol., 2019, 2021; ).
Pracovná pamäťa prefrontálny kortex sú pod vplyvom monoaminergnej modulácie (Goldman-Rakic, 1995; Robbins a Arnsten, 2009). V skutočnosti vyčerpanie dopamínu z prefrontálneho kortexu a úplná ablácia prefrontálneho kortexu spôsobujú podobné deficity pracovnej pamäte (Brozoski et al., 1979). Dopamín moduluje kortikálnu aktivitu prostredníctvom svojich receptorov. Receptory D1 sú najhustejšie exprimovaným typom dopamínových receptorov v kôre. Aktivita prefrontálnych neurónov počas pracovnej pamäte závisí od presných úrovní aktivácie receptorov D1, pričom príliš malá alebo príliš veľká stimulácia D1 narúša aktivitu oneskorenia (Vijayraghavan et al., 2007; Wang et al., 2019). Hustota D1 receptorov je však známa len pre relatívne malé časti opičieho kortexu (Goldman-Rakic a kol., 1990; Impieri a kol., 2019; Lidow a kol., 1991; Niu a kol., 2020; Richfield a kol., 1989). Kvôli nedostatku oblastí analyzovaných v štúdiách nie je jasné, či variácia v hustotách D1 receptora v kortikálnych oblastiach predstavuje náhodnú heterogenitu alebo systematický gradient kortikálnej dopamínovej modulácie.
Dopamínové receptory sú tiež exprimované odlišne v rôznych typoch inhibičných neurónov (Mueller et al., 2018, 2020). Jednotlivé typy inhibičných buniek primárne zameriavajú svoju inhibíciu na dendrity alebo somáty pyramídových buniek alebo na iné inhibičné neuróny (Jiang a kol., 2015; Tremblay a kol., 2016). Prostredníctvom svojich odlišných účinkov na odlišné interneuróny dopamín znižuje inhibíciu somátov pyramídových buniek a zvyšuje inhibíciu dendritov (Gao et al., 2003). Skorá teoretická štúdia navrhla, že inhibícia zameraná silnejšie smerom k dendritom a preč od somátov pyramídových buniek by mohla zvýšiť odolnosť pracovnej pamäte voči rozptýleniu (Wang et al., 2004a). Funkčný význam rozdielnych účinkov dopamínu na odlišné typy inhibičných neurónov ešte nebol skúmaný.
V tejto práci sme riešili dve otvorené otázky. Po prvé, ako sa distribuuje dopamínpracovná pamäťcez multiregionálny rozsiahly kortikálny systém? Po druhé, vo svetle dôrazu na typy buniek v modernej kortikálnej fyziológii, prispieva dopamín k silnej pracovnej pamäti proti distraktorom na základe rozdielnych účinkov na rôzne triedy neurónov? Na vyriešenie týchto otázok sme vykonali kvantitatívne mapovanie hustôt dopamínového D1 receptora v 109 kortikálnych oblastiach pomocou in vitro autorádiografie a skonštruovali sme rozsiahly výpočtový model kôry makaka, ktorý je schopný vykonávať úlohy pracovnej pamäte. Model je zostavený pomocou údajov o konektivite retrográdneho sledovania traktu a zahŕňa gradienty D1 receptorov a excitačných synapsií. Navyše, pokiaľ je nám známe, toto je prvý rozsiahly kortexový model vybavený tromi podtypmi inhibičných neurónov. Naše výsledky naznačujú, že vypaľovanie dopamínových neurónov môže zapájať rušivú aktivitu, selektívnu voči stimulom, trvalú aktivitu vo viacerých oblastiach mozgu v reakcii na behaviorálne relevantné stimuly. Okrem toho rozširujeme, z lokálnej oblasti na multiregionálnu kôru, mechanizmus tichej aktivity, ktorý bol navrhnutý pre určité formy stopy krátkodobej pamäte bez pretrvávajúcej aktivity (Mongillo a kol., 2008; Rose a kol., 2016; Wolff a kol., 2017). Zistili sme, že tento scenár sa v zásade opiera o krátkodobé uľahčenie medziareálnych spojení, ale nedokáže odolávať rušivým faktorom. Vylepšená modulácia dopamínu môže previesť stopu vnútornej pamäte na stav aktívnej trvalej aktivity potrebný na odfiltrovanie rušivých faktorov. Preto naše zistenia prispievajú k riešeniu súčasnej diskusie o dvoch protichodných scenároch, ktoré k tomu prispievajúpracovná pamäť(Constantinidis a kol., 2018; Lundqvist a kol., 2018; Wa- Tanabe a Funahashi, 2014) a za akých podmienok je každý mechanizmus implementovaný (Barbosa a kol., 2020; Masse a kol., 2019; Trbutschek a kol. , 2019).
VÝSLEDKY
Hierarchický gradient dopamínových D1 receptorov na neurón cez kôru opice
Najprv sme analyzovali distribučné vzorce D1 a D2 receptorov v mozgu makaka pomocou in vitro receptorovej autorádiografie (obrázok S1). Autorádiografia umožňuje kvantifikáciu endogénnych receptorov v bunkovej membráne pomocou rádioaktívnych ligandov (Niu a kol., 2020; Palomero-Gallagher a Zilles, 2018; Rapan a kol., 2021). Najvyššie hustoty (vo fmol/mg proteínu) oboch typov receptorov boli zistené v bazálnych gangliách, s nucleus caudatus (D1, 298±28; D2, 188±30) a putamen (D1, 273±40; D2, 203 ±37) predstavujúce podstatne vyššie hodnoty ako vnútorné (D1, 97±34; D2, 22±12) alebo vonkajšie (D1, 55±16; D2, 30±11) pododdelenia globus pallidus. Hustoty surových kortikálnych D1 receptorov sa pohybovali od 49 ± 13 fmol/mg proteínu v oblasti 4a primárneho motorického kortexu do 101 ± 35 fmol/mg proteínu v orbitofrontálnej oblasti 11 l (obrázok 1A).
Hustota D2 receptora v kortexe je taká nízka, že nie je detegovateľná tu použitou metódou.
Na porovnanie gradientu D1 receptorov s inými známymi gradientmi anatomickej organizácie v opičej kôre sme starostlivo zmapovali údaje o receptoroch (obrázok 1A), ako aj údaje o hustote neurónov (obrázok 1B; Collins et al., 2010) a počte chrbtice. (Obrázok 1C; Elston, 2007) na spoločný kortikálny templát Yerkes19, do ktorého boli predtým zmapované údaje zo sledovania anatomického traktu (obrázok 1D, i) (Donahue et al., 2016). Tu uvádzame údaje retrográdneho sledovania zo 40 regiónov, kvantifikované pomocou rovnakého protokolu ako v predchádzajúcich publikáciách (Markov et al., 2014b). To rozširuje počet injikovaných kortikálnych oblastí o 33 percent, pričom pripojenia k oblastiam 1, 3, V6, F4, F3, 25, 32, 9, 45A a OPRO (orbitálny proiso cortex) sú teraz zahrnuté v databáze (stiahnuteľné z jadra -nets.org). Kortikálnu hierarchiu sme odhadli pomocou údajov o laminárnej konektivite (obrázok 1D, ii; metódy STAR; Markov a kol., 2014a), čím sme rozšírili predchádzajúce popisy kortikálnej hierarchie na základe menšieho počtu oblastí (Markov a kol., 2014a; Mejias a kol., 2016). Jednorozmerná hierarchia je pravdepodobne prílišným zjednodušením štruktúry kortikálnej konektivity. Pretože máme údaje o konektivite pre dva odlišné senzorické modality, vypočítali sme aj kruhové vloženie údajov o konektivite, pričom radiálna vzdialenosť od okraja predstavuje hierarchickú polohu a uhlová vzdialenosť medzi bodmi predstavuje prevrátenú hodnotu ich sily konektivity (Chaudhuri et al., 2015). V tejto kruhovej reprezentácii možno jasne oceniť oddelené vizuálne a somatosenzorické hierarchie, pričom asociačné oblasti spadajú pod uhly mimo hlavných osí senzorickej hierarchie (obrázok 1E).
Na uľahčenie funkčnej interpretácie sme rozdelili hustotu receptora D1 hustotou neurónov (Collins et al., 20}10), aby sme umožnili odhad miery, do akej dopamín moduluje jednotlivé neuróny v kôre. Hustota D1 receptora na neurón dosiahla vrchol v parietálnom a frontálnom kortexe a bola relatívne nízka v skorej senzorickej kôre (obrázok 1F). Existovala silná pozitívna korelácia medzi hustotou D1 receptora na neurón a kortikálnou hierarchiou (obrázok 1G; r=0.81). Kvôli priestorovej autokorelácii medzi kortikálnymi znakmi (tj blízke časti kortexu majú tendenciu mať podobnú anatómiu), je možné odhaliť falošné korelácie medzi odlišnými znakmi anatómie mozgu. Aby sme to zohľadnili, vygenerovali sme 10,{10}} náhradných máp s podobnou priestorovou autokoreláciou ako mapa hierarchie (Burt et al., 2020). Žiadna z týchto náhradných máp nekorelovala tak silne s mapou hustoty receptora D1 ako hierarchia, čo dáva p-hodnotu menšiu ako 0,0001 pre koreláciu D1 receptor-hierarchia. Neexistoval žiadny významný vzťah medzi expresiou D1 receptora a tým, či kortikálna oblasť mala granulárnu vrstvu IV (Wilcoxon rank-sum Z=0.39, p=0.70) alebo stupňom dexternopyramidizácie (Kruskal - Wallis c2=1.47, p=0.48; Goulas a kol., 2018; Sanides, 1962; obrázok S2). Tento model expresie receptora naznačuje, že dopamín v zásade moduluje oblasti prispievajúce k vyššiemu kognitívnemu spracovaniu.
Potom sme postavili veľký model kôry makaka. Lokálny okruh sme umiestnili do každej zo 40 kortikálnych oblastí (obrázok 2A, vpravo). Vlastnosti týchto lokálnych okruhov sa v rôznych oblastiach líšili vo forme makroskopických gradientov (Wang, 2020) konektivity na veľké vzdialenosti (nastavené sledovaním údajov), sily excitácie (nastavenej počtom chrbtice) a modulácie receptormi D1 (nastavené podľa autorádiografických údajov receptora). Spojenie medzi oblasťami sme definovali pomocou kvantitatívnych údajov o sledovaní retrográdneho traktu. V modeli sú medziareálne spojenia excitačné a zameriavajú sa na dendrity pyramídových buniek (Petreanu et al., 2009). Medziareálne excitačné spojenia sa tiež zameriavajú na bunky kalretinín (CR)/vazoaktívny črevný peptid (VIP) vo väčšej miere ako bunky parvalbumínu (PV) alebo kalbindínu (CB)/somatostatínu (SST) (Lee a kol., 2013; Wall a kol. ., 2016). Predné očné polia (FEF) majú nezvyčajne vysokú hustotu CR (tu CR/VIP) buniek (Pouget et al., 2009). Aby sme to zohľadnili, zvýšili sme podiel medziareálneho vstupu do buniek CR / VIP vo FEF a znížili sme silu vstupu do buniek PV a CB / SST.
Obrátený vzťah U medzi stimuláciou kortikálneho D1 receptora a distribuovanou aktivitou pracovnej pamäte
Veľkorozmerný kortikálny model sme simulovali pri výkone apracovná pamäťúloha (obrázok 2C) s rôznymi úrovňami dostupnosti kortikálneho dopamínu. V simuláciách selektívne na podnetyMedziareálna konektivita určuje vzor aktivity distribuovanej pracovnej pamäte.Ďalej sme porovnali model aktivity oneskorenia v modeli s aktivitou oneskorenia pozorovanou vo viac ako 90 elektrofyziologických štúdiách (Leavitt et al., 2017). Vybrali sme parametre modelu, ktoré by vyvolali pretrvávajúcu aktivitu v prefrontálnom kortexe, ale model sme neprispôsobili experimentálnym údajom. Z 19 kortikálnych oblastí, v ktorých bola takáto aktivita hodnotená počas obdobia oneskorenia v najmenej troch experimentálnych štúdiách, 18 bolo v súlade medzi simuláciou a experimentálnymi výsledkami (c2=15:03; p=0: 0001 Obrázok 3A). Celkovo sa reprodukuje experimentálne pozorovaná pretrvávajúca aktivita z mnohých štúdií, čím sa model potvrdzuje. To nám umožňuje preskúmať anatomické vlastnosti, ktoré sú základom distribuovaného modelu aktivity, a získať prehľad o mechanizmoch mozgu, ktoré ho môžu produkovať.
Po premiešaní anatomických údajov sme zopakovali modelové simulácie. Vzorce aktivity v období oneskorenia pre 30{1}} simulácií založených na premiešanej anatómii sa porovnali so vzorom pozorovaným experimentálne. Uskutočnilo sa desaťtisíc simulácií s použitím premiešaných medziareálnych spojení, premiešanej expresie D1 receptora a premiešanej expresie dendritickej chrbtice oddelene. Prekrytie medzi vzorom experimentálnej perzistentnej aktivity a modelom vzoru perzistentnej aktivity bolo silne závislé od medziareálnych spojení (p=0,0004), ale nie od vzoru D1 receptorov (p=0,71 ) alebo počet dendritickej chrbtice (p=0,46) (obrázok 3B). Táto analýza naznačuje, že okraje medzi uzlami v sieti (tj medziareálne spojenia) sú dôležité pre definovanie priestorového vzoru aktivity periódy oneskorenia. Ďalej sme sa pýtali, ako samotné uzly (tj jednotlivé kortikálne oblasti) prispievajú rozdielne k distribuovanej pracovnej pamäti.
Deficity pracovnej pamäte sú najzávažnejšie po léziách prefrontálnych oblastí s vysokou hustotou receptora D1
Ďalej sme kvantifikovali mieru, do akej fokálne lézie jednotlivých oblastí v modeli narušili pretrvávajúcu aktivitu počas úlohy pracovnej pamäte (bez distraktorov). Účinok závisel od oblasti poškodenia a hladiny kortikálneho dopamínu (obrázok 3C). Lézie v prefrontálnych a zadných parietálnych oblastiach spôsobili najväčšie zníženie frekvencie spustenia periódy oneskorenia (obrázok 3D, E). Lézie vo frontálnych oblastiach spôsobili výrazne väčšie zníženie frekvencie oneskorenia výstrelov ako lézie v parietálnych oblastiach (Mann-Whitney U=46.0, s.=0.027). Testovali sme účinky postupne väčších lézií na frontálny a parietálny kortex. Aby sme zväčšili veľkosť lézií, pre každý lalok sme najprv poranili oblasť, ktorá spôsobila najväčší pokles oneskorenej aktivity pri jednotlivej lézii, a potom sme dodatočne poranili oblasť, ktorá spôsobila druhý najväčší pokles atď. (frontálna lézia 1: 46d, lézia 2: 46 d plus 8B, lézia 3: 46 d plus 8B plus 8 m, atď.; parietálna lézia 1: LIP, lézia 2: LIP plus 7 m, lézia 3: LIP plus 7 m plus 7B, atď.). Pri lézii dvoch frontálnych oblastí bola aktivita memotechnického oneskorenia úplne zničená v celej kôre, takže sieť už nebola schopná vykonávať úlohu. Na rozdiel od toho progresívne väčšie lézie parietálnej kôry spôsobili iba postupné znižovanie aktivity frontoparietálneho oneskorenia a aj keď bol odstránený celý parietálny kortex (10 oblastí), zostala dostatočná zvyšková aktivita memotechnického oneskorenia, aby bolo možné dekódovať podnetový podnet ( Obrázok 3F).
Následne sme sa zaoberali schopnosťou modelu udržiavať aktivitu špecifickej doby oneskorenia v prítomnosti distraktorov po presnom poranení každej kortikálnej oblasti. Analyzovali sme štúdie na všetkých úrovniach dostupnosti kortikálneho dopamínu. Lézie v troch prefrontálnych oblastiach (8 m, 46 d a 8B), ale nie v iných oblastiach, spôsobili vo všetkých pokusoch úplné narušenie aktivity pracovnej pamäte odolnej voči distraktora. Lézie do mnohých ďalších oblastíspôsobili úplné zníženie aktivity pracovnej pamäte rezistentnej na distraktory v niektorých štúdiách (zodpovedajúcich konkrétnemu rozsahu dopamínu), ale nie v iných. Sedem lézií spôsobujúcich najväčšie narušenie výkonu pracovnej pamäte bolo vo frontálnom kortexe (šesť prefrontálnych oblastí a premotorická oblasť F7; obrázok 3G). Zníženie výkonu bolo výrazne väčšie pre lézie vo frontálnych kortikálnych oblastiach ako v parietálnych oblastiach (Mann-Whitney U=48,5, p=0,032). Naše simulácie teda naznačujú, že (1) lézie prefrontálneho a zadného parietálneho kortexu môžu spôsobiť významné narušenie aktivity oneskorenia, (2) frontálne lézie majú väčší vplyv na správanie ako parietálne lézie a (3) menšie lézie, najmä prefrontálny kortex, môže výrazne narušiť výkon pri náročnejších úlohách pracovnej pamäte, ako sú napríklad úlohy s distraktormi. Na rozdiel od toho sú na narušenie výkonu pri jednoduchých úlohách pracovnej pamäte potrebné väčšie lézie.
