Čuchová žiarovka moduluje oscilácie entorhinálnej kôry počas priestorovej pracovnej pamäte

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Abstraktné

Kognitívne funkcie ako naprpracovnéPamäťvyžadujú integrovanú aktivitu medzi rôznymi oblasťami mozgu. Najmä aktivita entorinálnej kôry (EC) je spojená s úspešnou úlohou pracovnej pamäte. Oscilácie čuchových bulbov (OB) sú známe ako rytmy, ktoré modulujú rytmickú aktivitu v rozsiahlych oblastiach mozgu počas kognitívnych úloh. Keďže OB je štrukturálne spojený s EC, predpokladali sme, že OB by mohol modulovať aktivitu EC počas výkonu pracovnej pamäte. Tu sme skúmali funkčnú konektivitu OB–EC počas výkonu priestorovej pracovnej pamäte súčasným zaznamenávaním potenciálov lokálneho poľa, keď potkany vykonávali úlohu Y-bludisko. Naše výsledky ukázali, že koherencia oscilácií delta, theta a gama pásma medzi OB a EC bola zvýšená počas správnych pokusov v porovnaní s nesprávnymi pokusmi. Analýza krížovej frekvencie odhalila, že modulačný účinok nízkofrekvenčnej fázy OB na výkon a fázu EC gama sa zvýšil, keď zvieratá správne vykonávali úlohu pracovnej pamäte. Prílev informácií z OB do EC bol tiež zvýšený v pásme delta a gama v rámci správnych pokusov. Tieto zistenia naznačujú, že modulačný vplyv rytmov OB na oscilácie EC môže byť potrebný pre úspešný výkon pracovnej pamäte.

Kľúčové slová: Čuchový bulbus, Entorhinálny kortex,PracovnéPamäť, Funkčná konektivita

PozadiePracovnéPamäťje pracovný priestor na dočasné ukladanie a aktívnu manipuláciu s informáciami pre priebežné rozhodovanie [1–3]. Úspešný výkon pracovnej pamäte závisí od organizovanej komunikácie medzi oblasťami mozgu [1–3]. Entorhinálny kortex (EC) je súčasťou systému mediálneho temporálneho laloku, ktorý je umiestnený ako „brána“ medzi neokortikálnymi oblasťami a hipokampom.Pamäťsystém[4]. Ukázalo sa, že EC funguje ako dočasný nárazník prichádzajúcich informácií do hipokampu [5]. Štúdie lézií tiež ukázali, že ablácia EC narúša výkonnosť pracovnej pamäte [6–8]. EC je teda pravdepodobne kľúčová pre úspešný výkon pracovnej pamäte [9].

cistanches herbapreimunitu

Entorhinálna kôra je úzko spojená s čuchovým bulbom (OB); senzorická informácia sa z OB dostáva priamo do EC a obchádza talamus, na rozdiel od iných senzorických systémov [10, 11]. Apikálne dendrity vo vrstve II/III pyramídových a hviezdicovitých v laterálnej časti buniek EC dostávajú projekcie z mitrálnych buniek OB [12, 13]. Na druhej strane, OB oscilácie a ich spojenie s inými oblasťami mozgu sú v korelácii s kognitívnymi funkciami [14, 15]. Odstránenie alebo poškodenie OB vedie ku kognitívnym poruchám, ako sú úlohy pozornosti, referenčná pamäť, oneskorená zhoda, reverzná pamäť a deficity pracovnej pamäte [16–18]. Bolo naznačené, že nízke gama oscilácie OB sú výrazné počas vedomého stavu a majú zásadnú úlohu pri synchronizácii nervových obvodov súvisiacich s priestorovou deklaratívnou pamäťou [19, 20]. Vysoké gama oscilácie OB sú však pri spontánnom prieskume v novom prostredí periodickejšie [20]. Keďže aktivita OB a EC prispieva k funkcii pamäte, zdá sa, že interakcia medzi osciláciami OB a EC môže hrať úlohu pri úspešnom výkone pracovnej pamäte. K dnešnému dňu nie je k dispozícii žiadna štúdia na posúdenie funkčnej konektivity medzi OB a EC počas výkonu pracovnej pamäte.

Elektrofyziologické výskumy ukázali, že funkčná konektivita v oblastiach mozgu môže byť nevyhnutná pre kognitívne správanie [21]. Oscilačné spojenie medzi rôznymi oblasťami mozgu uľahčuje medziregionálnu komunikáciu, ktorá je nevyhnutná pre spracovanie informácií počas správania [22]. Špecificky sa krížová frekvenčná väzba (CFC) považuje za optimálne kódovanie podporujúce prenos informácií počas kognitívneho výkonu, vrátane pracovnej pamäte [22, 23]. Preto sila funkčného spojenia medzi oblasťami mozgu môže predstavovať mozgový kód aktivácie pamäťového okruhu.

cistanche bienfaitspreimunita

Morteza Salimi1, Farhad Tabasi1,2, Milad Nazari3, Sepideh Ghazvineh1, Alireza Salimi4, Hamidreza Jamaati4 a Mohammad Reza Raoufy1,2

Katedra fyziológie, Fakulta lekárskych vied, Univerzita Tarbiat Modares, Teherán, Irán

Celkovo sme predpokladali, že OB oscilácie koordinujú aktivitu EC, ktorá sprostredkúva výkon pracovnej pamäte. Skúmali sme funkčnú konektivitu OB–EC počas úlohy pracovnej pamäte súčasným zaznamenávaním potenciálov miestnych polí (LFP), keď sa potkany spontánne striedali v Y-bludisku. Koherencia obvodu OB-EC bola vypočítaná na vyhodnotenie frekvenčne špecifickej funkčnej konektivity, keď potkany vykonávali úlohu pracovnej pamäte. Desať, riešili sme modulačný účinok OB nízkofrekvenčnej fázy na EC vysokofrekvenčnú fázu a výkon pomocou CFC analýz. Nakoniec sa prílev informácií z OB do EC meria s Grangerovou kauzalitou.

Metódy

Tento experiment sa uskutočnil na samcoch potkanov Wistar bez patogénov s hmotnosťou 210 – 230 g (9 – 10 týždňov) získaných zo zverinca Tarbiat Modares University (Teherán, Irán). Potkany boli chované v štandardných zariadeniach na výskum zvierat, v ktorých bola k dispozícii potrava a voda. Na implantáciu elektródy sa vyvolala anestézia s použitím ketamínu/xylazínu (100 mg/kg, respektíve 10 mg/kg) a hlava sa zafixovala. Ďalej boli do OB implantované dve záznamové elektródy z nehrdzavejúcej ocele (priemer 127 µm, AM system Inc., USA) (AP: 8,5 mm, ML: - 1 mm, DV: - 1,5 mm) a bočná časť EC ( AP: - 7,04 mm; L: - 5,5 mm; DV: - 6,5 mm). Na potvrdenie umiestnenia elektródy sa urobila lézia na mieste elektródy, mozog zvieraťa sa fixoval 4 percentami paraformaldehydu a pripravila sa 200 μm koronálna časť mozgu. Mozgové rezy boli porovnané so zodpovedajúcimi rezmi vizuálne v atlase mozgu potkana (obr. 1b) [24].

Po 2 týždňoch zotavovania sa z chirurgického zákroku na zaznamenávanie signálov LFP bola predná zásuvka pripevnená na hlavy zvierat, ktorá bola pripojená k miniatúrnemu tlmiacemu stupňu hlavy s vysokou vstupnou impedanciou (BIODAC-A, TRITA Health Tec., Teherán, Irán). Signály boli zosilnené (zosilnenie 1000), digitalizované pri 1 kHz a dolnopriepustné filtrované<250 hz="" via="" ac="" coupled="" with="" the="" recording="" system="" (biodac="" esr18622,="" trita="" health="" technology="" co.,="" tehran,="" iran).="" ten,="" we="" recorded="" lfp="" signals="" simultaneously="" from="" ob="" and="" ec="" of="" rats="" spontaneously="" alternating="" in="" the="" y-shaped="" maze.="" te="" signals="" are="" processed="" offline="" using="" custom-written="" matlab="" software="" (math="" works="" inc.,="">

Pre úlohu priestorovej pracovnej pamäte sa zvolilo čierne bludisko z plexiskla v tvare Y s dĺžkou 50 cm, šírkou 10 cm a výškou 25 cm. Zvieratá boli privykané 2 po sebe nasledujúce dni v bludisku. Ďalej boli zvieratá jednotlivo umiestnené do stredu jedného ramena, ďalej označeného ako rameno A, čo im umožnilo voľne skúmať 10 minút. Spontánne alternácie sa počítali podľa predchádzajúceho protokolu pracovného hodnotenia [25]. Stručne povedané, správny výkon bol definovaný ako striedanie zvierat do nového ramena (tj návšteva z A do B alebo C, ktoré sú určené do iných ramien). Okrem toho sa nesprávne pokusy považujú za cestovanie späť do predtým skúseného ramena, ako je napríklad pohyb ABA. Všetky pohyby boli zaznamenané videokamerou namontovanou na strope, ktorá bola synchronizovaná so záznamom LFP. Potkany s nesprávne umiestnenými elektródami alebo potkany, ktoré nemohli vykonať úlohu, boli zo štúdie vylúčené. Všetky postupy boli v súlade s usmerneniami NIH pre starostlivosť a používanie laboratórnych zvierat (2011) a schválené etickou komisiou Fakulty lekárskych vied Univerzity Tarbiat Modares (IR.MODARES.REC.1398.037).

Spracovanie signálu

Použili sme špecifickú epochu signálov zaznamenaných počas výkonu priestorovej pracovnej pamäte v Y-bludisku. Každá epocha bola vybraná 1 s pred a počas zvieracieho prieskumu stredu bludiska, a to ako pre správne, tak pre nesprávne pokusy. Identifikovali sme deltu (<4 hz),="" theta="" (4–12="" hz),="" low-gamma="" (30–50="" hz),="" and="" high-gamma="" (50–80="" hz)="" via="" applying="" low-="" and="" bandpass="" filtering="" (fig.="" 1a).="" to="" calculate="" ob="" and="" ec's="" coherence,="" computed="" magnitude-squared="" coherence="" by="" the="" mscohere="" function="" in="" matlab="" was="" used.="" phase-power="" analysis="" was="" done="" by="" first="" obtaining="" the="" lfp="" phase="" by="" computing="" hilbert's="" transform="" phase="" of="" the="" filtered="" signal="" in="" low="" frequencies="" (delta="" and="" theta)="" bands="" and="" gamma="" power="" calculated="" using="" the="" spectrogram="" with="" one="" sample="" time="" step.="" ten,="" we="" binned="" the="" low-frequency="" phases="" into="" 120="" bins,="" each="" 3°="" wide,="" and="" the="" average="" power="" of="" gamma="" samples="" was="" calculated="" in="" each="" bin.="" coupling="" strength="" was="" expressed="" as="" the="" resultant="" length="" vector,="" which="" was="" the="" average="" of="" power="" vectors="" in="" the="" low-frequency="" phases.="" finally,="" to="" soften,="" we="" used="" the="" gaussian="" kernel="" with="" a="" standard="" deviation="" of="" 10="" and="" a="" size="" of="" 100="" [26,="">

Väzba medzi fázami bola vypočítaná podľa našej nedávnej štúdie [28]. Stručne, vypočítame maticu, ktorej prvok (i, j) predstavuje pomer celkového počtu časových vzoriek, ktoré sú OB fázy pri nízkofrekvenčných (delta a theta) osciláciách umiestnené na uhlovom bin čísle I súčasne s fázou EC vysoké frekvencie (gama 1 a 2) v uhlovom bine čísla j. Na vyhodnotenie prílevu informácií z OB do EC sme merali Grangerov index kauzality. Táto analýza je založená na myšlienke, že oscilácie v jednej oblasti mozgu pomáhajú predpovedať ostatné [29]. V tomto ohľade sme použili metódu čiastočnej riadenej koherencie (PDC), pričom sme predpokladali, že minulá znalosť „príčiny“ zlepšila predikciu súčasného stavu „účinku“, na rozdiel od predikcie, ktorá využíva iba minulé účinky. Najprv sme skúmali stacionárnosť všetkých signálov a odhadli sme poradie autoregresného modelu (p=100) pomocou Akaikeho informačného kritéria na výpočet PDC. Ďalej sme výpočtom koeficientov autoregresného modelu preniesli koeficienty do frekvenčnej oblasti pomocou diskrétnej Fourierovej transformácie [30–35].

cistanche erektilná dysfunkciavimunita

Štatistická analýza

Na štatistické analýzy sa použil GraphPad Prism (GraphPad Software, San Diego, CA). Normalita distribúcie údajov bola hodnotená pomocou Kolmogorov-Smirnovovho testu v rámci každého parametra. Na porovnanie údajov sa použil párový t-test. Štatistická významnosť bola definovaná ako hladiny nižšie ako 0,05.

Výsledky

OB oscilácie sú koherentné s EC počas správnych skúšok výkonu priestorovej pracovnej pamäte

Súčasne sme zaznamenali LFP z OB a EC počas spontánneho striedania v Y-bludisku, aby sme študovali konektivitu obvodu OB-EC vo výkone priestorovej pracovnej pamäte. Zistili sme, že koherencia OB-EC v rozsahu delta a theta počas správnych pokusov bola významne vyššia ako pri nesprávnych skúškach (p<0.05; fig.="" 2a–c).="" in="" addition,="" the="" coherence="" of="" gamma="" 1="" (30–50="" hz)="" and="" gamma="" 2="" (50–80="" hz)="" oscillations="" of="" the="" ob–ec="" circuit="" was="" significantly="" higher="" during="" correct="" spatial="" working="" memory="" performance=""><0.05, fig.="" 2d–f).="" therefore,="" the="" enhanced="" coherence="" at="" both="" low="" and="" high="" frequencies="" in="" the="" ob–ec="" circuit="" is="" associated="" with="" correct="" spatial="" working="" memory="">

Fáza OB silne moduluje výkon a fázu EC počas správneho výkonu pracovnej pamäte

Pozorovali sme, že fáza oscilácií delta aj theta v OB silne moduluje výkon gama v EC počas správnych pokusov (obr. 3). Spojenie OB nízkofrekvenčných fáz s EC gama-2 fázami sa výrazne zvýšilo nesprávne v porovnaní s nesprávnymi pokusmi (obr. 4). Nezistili sa však žiadne viditeľné zmeny v OB–EC delta alebo theta gama{4}} fázovom uzamknutí počas správnych a nesprávnych pokusov. Celkovo táto analýza odhalila, že EC gama oscilácie závisia od fázového prechodu signálov OB, keď zvieratá správne vykonali úlohu pracovnej pamäte.

Pri správnom výkone pracovnej pamäte sa prílev informácií z OB do EC zvýšil

Ďalej sme skúmali, či oscilácie EC kauzálne súvisia so signálmi OB, zatiaľ čo zvieratá vykonávali úlohu priestorovej pracovnej pamäte. Grangerova analýza kauzality odhalila, že prílev informácií z OB do EC pri gama osciláciách sa zvýšil, keď potkany vykonali správny výkon v rámci úlohy pracovnej pamäte (obr. 5). Tieto výsledky podporujú myšlienku, že OB nie je len modulačný, ale má aj náhodný vplyv na EC počas správneho výkonu pracovnej pamäte.

Diskusia

Naše výsledky odhalili, že koherencia OB-EC sa zvýšila v pásme delta, theta a gama počas správnych pokusov s úlohou priestorovej pracovnej pamäte. Okrem toho, fáza nízkych frekvencií OB mala viac modulačný účinok na EC gama výkon a fázu počas úspešného výkonu pracovnej pamäte. Okrem toho sa zvýšil prílev informácií z OB do EC, keď zvieratá správne vykonávali úlohu pracovnej pamäte.

Koherentná aktivita je charakteristickým znakom neurónových sietí počas kognitívneho výkonu, čo si vyžaduje štrukturálne spojenie neurónov [36]. Vzhľadom na to, že OB a EC majú monosynaptické spojenia a ich aktivity vo veľkej miere súvisia s pracovnou pamäťou, predpokladali sme, že vylepšená konektivita v obvode OB–EC môže predstavovať správny výkon. Na testovanie tejto hypotézy sme hodnotili funkčnú konektivitu OB-EC, keď potkany vykonávali úlohu Y-bludisko. Naša analýza ukázala, že oscilácie OB v nízkofrekvenčných aj vysokofrekvenčných rozsahoch sú silne koherentné s aktivitou EC, keď potkany reagovali správne. Uvádza sa, že koherentné oscilácie v nízkofrekvenčných rozsahoch, vrátane delta a theta, sprostredkúvajú interakciu medzi oblasťami mozgu pri rozsiahlych kognitívnych úlohách, ako je výkon pamäte [37, 38]. Okrem toho sa predpokladá, že koherentné oscilácie pri vysokej frekvencii spájajú distribuované neurónové zostavy, čo je funkcia, ktorá je pravdepodobne dôležitá pre sieťové procesy [39–41]. Zistenia o koherencii tu poukazujú na úzku komunikáciu medzi OB a EC na podporu výkonu pracovnej pamäte.

Existuje stále viac dôkazov, ktoré dokazujú, že aktivita OB strháva oscilácie LFP v rozsiahlych oblastiach mozgu hlodavcov [42]. Ďalej naše zistenia predstavovali silnú koherenciu; potom sa pýtame, či je správny výkon pracovnej pamäte kódovaný moduláciou EC oscilácií aktivitou OB. Je zaujímavé, že naše výsledky analýzy fázovo-výkonovej väzby OB-EC ukázali, že spojenie delta-gama a theta-gama je počas správnych pokusov výrazne vyššie. Okrem toho OB delta a theta fázy modulovali fázu buď nízkych, alebo vysokých oscilácií v gama pásme v EC počas priestorovej pracovnej pamäte a hodnota takejto modulácie sa zvýšila počas správneho výkonu. Tieto zistenia sú v súlade s predchádzajúcimi štúdiami, ktoré naznačujú, že CFC v oblastiach mozgu hrá funkčnú úlohu pri výpočte, komunikácii a učení neurónov [43–45].

Dôležité je, že možno navrhnúť, že gama oscilácie v hipokampálnej formácii, ktoré prispievajú k výkonu pamäte, môžu byť modulované rytmom OB. Už skôr sa uvádza, že gama oscilácie v hipokampe pozostávajú z dvoch odlišných frekvenčných zložiek (nízka a vysoká gama). Presne povedané, predpokladá sa, že oscilácie s vysokým gama v hipokampe z EC, nízke gama oscilácie sú generované z vnútorných zdrojov [46, 47]. Náš výsledok ukázal, že oscilácie v laterálnej EC, ktorá je recipročne spojená s OB prostredníctvom priamych projekcií [12, 13], sú poháňané z OB, keď zvieratá prvýkrát vykonávali pracovnú pamäť. Preto oscilácie OB prostredníctvom modulácie EC môžu ovplyvniť gama aktivitu v hipokampe, čo prispieva k úspešnému výkonu pracovnej pamäte. Na lepšie pochopenie mechanizmov OB v mozgových osciláciách a behaviorálnom výkone sú však potrebné ďalšie štúdie.

cistamcheoimunita

Zatiaľ čo vysokofrekvenčné oscilácie predstavujú lokálne kortikálne spracovanie, nízkofrekvenčné rytmy sa môžu dynamicky strhávať cez distribuované oblasti mozgu [47]. CFC predstavuje mechanizmus na prenos informácií v rámci mozgových okruhov fungujúcich pri behaviorálnom výkone [47]. Tieto pozorovania potvrdzujú našu hypotézu, že OB môže koordinovať EC počas výkonu pracovnej pamäte.

Zaujímavou otázkou je, ako OB riadi tieto efekty? Možnou odpoveďou je vnútorný pohon pri generovaní a uľahčovaní lokálnych aj diaľkových mozgových rytmov. U cicavcov OB exprimuje výrazné nervové oscilácie [48, 49], o ktorých sa ukázalo, že synchronizujú nervové aktivity mozgových sietí [50]. Tieto oscilácie vznikajú počas nazálneho dýchania stimuláciou čuchových senzorických neurónov (OSN) [51]. Čuchové nervové oscilácie, ktoré sú fázovo viazané na dýchacie cykly, nazývané dýchaním strhávané mozgové oscilácie [12], dosahujú vzdialené oblasti [52, 53] a modulujú rytmickú aktivitu v nečuchových oblastiach [54]. Preto tieto rytmy synchronizujú oscilácie OB s oblasťami na veľké vzdialenosti, najmä počas kognitívneho výkonu [42]. Napríklad sa uvádza, že OB a hipokampus sa synchronizovali na oscilácii theta počas kognitívnych výkonov [55, 56].

Okrem toho sa predpokladalo, že zvýšené delta oscilácie počas úlohy priestorovej pracovnej pamäte v mPFC, VTA a hipokampe [57] sú strhávané rytmom dýchania [42]. Po prvýkrát však súčasné výsledky práce ukázali, že oscilácie OB môžu modulovať aktivity EC počas výkonu pracovnej pamäte. Naše vysvetlenie pre tieto pozorovania je, že OSN prostredníctvom nazálneho dýchania môže koordinovať oscilácie OB a potom OB riadi zmeny vo vzdialených oblastiach vrátane EC. Ukázalo sa, že OSN majú dvojité funkcie, ktoré reagujú nielen na chemický stimul (zápach), ale sú aktivované aj prúdením vzduchu z nosa [51]; preto je pravdepodobné, že oscilácie OB sú generované prúdením vzduchu bez zápachu prostredníctvom mechanickej stimulácie OSN [51, 58]. Okrem dýchania môže konektivitu v obvode OB–EC ovplyvniť aj ďalší vstup senzorických informácií [59, 60]. Napríklad experimentálne údaje potvrdili, že expresia pachovo špecifických reprezentácií v EC je potrebná na vedenie navigácie počas úspešného výkonu asociatívnej pamäte [59]. Okrem toho, čuchanie ako hlavný zmyslový vstup počas kognitívneho výkonu je tiež spojené s hipokampálnymi osciláciami počas učenia [55]. Je však potrebných viac štúdií na odhalenie základného mechanizmu, v ktorom OB moduluje EC počas výkonu pracovnej pamäte.

Už skôr sa ukázalo, že OB oscilácie spôsobujú hipokampový rytmus [61]. Preto sme ďalej predpokladali, že EC aktivita je koherentná a modulovaná s OB osciláciami, ale EC oscilácie sú tiež kauzálne spojené s OB aktivitou. V súčasnej štúdii výpočet Grangerovej kauzality preukázal, že prírastok v príleve informácií z OB do EC je spojený so správnym výkonom pracovnej pamäte. Tieto dôkazy, v súlade s našimi ďalšími zisteniami, podporujú model, v ktorom OB posiela informácie do EC, ktoré môžu byť nevyhnutné pre úspešný výkon počas pracovnej pamäte.