Újdonság-érzékeny dopaminerg neuronok az emberi Substantia Nigra-ban A deklaratív memóriaképzés sikerességének előrejelzése (2018)

1. ábra

Feladat, viselkedés és helyek rögzítése

(A) A Lisman-Grace modell egyszerűsített összefoglalása.

(B) A feladat. Felül: képernyők, amelyeket az alanyoknak mutatnak be egy példavizsgálat során. Alsó: az az időtartam, ameddig az egyes képernyők megjelenítésre kerültek.

(C) viselkedés. Megjelenik az összes munkamenet felismerési pontossága, rangsorolva. A zöld sávok véletlenszerű pontossággal jelzik az üléseket; A sárga sávok az SN-n kívül lokalizált felvételeket mutatnak.

(D és E) A mikroelektródákat rögzítő helyek elhelyezkedése a Talairach térben Y = −16 (D) és Y = −17.2 (E) értékeken. A kontúrok az SN és az STN atlaszból származó határait mutatják [21]. Az érintkező piros színű, ha legalább egy memóriaszelektív neuron van (lásd Az SN neuronok megkülönböztetik a regényt és a jól ismert stimuleket és a Sejttípus-elemzés) felvételre került ezen a helyen, és kék színben, ha egyébként.

(F) A kérgi felvételek helye. Megjelenik a rögzített ECoG-érintkezők medián helye azon hat felvételi munkamenet során, amelyekre rendelkezésre állt egy intraoperatív röntgenkép (lásd: STAR módszerek). Lát S2. ÁbraD egy adott alany példájához. A bemutatott rekonstruált agy sablon agy [22].

Nagy kép megtekintése | A Hi-Res kép megtekintése | Töltse le a PowerPoint Slide programot

Főbb

• A humán mustadi (nigra) idegsejteket stimulációs újdonságok modulálják

• A memóriaszelektív idegsejtek a lényeges nigra feltételezhetően dopaminerg hatásúak

• Az SN-neuronok fáziszárása frontalis oszcillációkhoz megjósolja a memória kialakulását

• Érvényesíti a Lisman és Grace VTA / SN-hippocampus hurok modelljének előrejelzéseit emberekben

Összegzésként

Az információk hosszú távú deklaratív memóriába történő kódolását megkönnyíti a dopamin. Ez a folyamat a hippocampus újdonság-jeleitől függ, de továbbra sem ismert, hogy a középagy dopaminerg neuronjait hogyan modulálják a deklaratív memórián alapuló információk. Felismerési memória feladatot végző humán betegeknél rögzítettük az egyes substantia nigra (SN) idegsejteket és a kortikális tér potenciáljait. Megállapítottuk, hogy az SN idegsejtek 25% -át modulálta az ingerújdonság. Az extracelluláris hullámforma és az anatómiai elhelyezkedés azt jelezte, hogy ezek a memóriaszelektív idegsejtek feltételezhetően dopaminergek voltak. A memória-szelektív idegsejtek válaszai 527 ms-mal jelentek meg az inger megjelenése után, egyetlen vizsgálat után megváltoztak, és a felismerés pontosságát jelezték. Az SN neuronok fázisa zárva van a frontális kérgi theta-frekvencia oszcillációkhoz, és ennek a koordinációnak a mértéke megjósolta a sikeres memória kialakulását. Ezek az adatok azt mutatják, hogy a humán SN dopaminerg idegsejtjeit memóriajelek modulálják, és az információáramlás progresszióját mutatják be a hippokampus-bazális ganglionok-frontális kéreg hurokban a memória kódolásához.

Bevezetés

A deklaratív emlékek kialakulása azon alapszik, hogy a hippokampusz szinapszisok képesek gyorsan megváltoztatni erőiket hosszú távú potencírozás és depresszió révén [1]. A szinaptikus plaszticitás erőssége és időtartama az extracelluláris dopamin szinttől függ [2, 3], egy neuromodulátor, amely a hippokampuszban felszabadul a dopaminerg idegsejtekből kiálló axonális terminálisokból a justi nigra (SN) és a ventrális tegmentalis terület (VTA) [4]. A hippokampusz deklaratív emlékek erősségét a dopamin felszabadulás modulálja: mind az SN / VTA aktiválás mértéke [5, 6] és a dopamin szintje a hippokampuszon belül [2, 7] modulálja a kódolás sikerét. Amikor az állatokat új környezetnek teszik ki, a dopamin szint emelkedik, és megkönnyíti a hippokampusz hosszú távú potencírozását. Ez a továbbfejlesztett memória az új környezet számára azonban elveszik, amikor a hippokampusz dopamin receptorokat blokkolják [8]. Bár ezek és más megfigyelések kritikus szerepet mutatnak az SN / VTA idegsejtek által felszabadult dopamin szempontjából a deklaratív memóriában [9, 10, 11], az ezt a választ szabályozó mögöttes mechanizmusok nem érthetők jól.

Annak vizsgálata, hogy az SN / VTA dopaminerg neuronok hogyan jelzik a jutalom és jutalom várakozási hibáit [12, 13, 14] feltárta az SN / VTA szerepének mechanikus megértését a klasszikus kondicionálás és megerősítés tanulásában [15]. Emellett emberekben az SN idegsejtek is reagálnak a ritka hangokra páratlan labda paradigmában [16] és kódolja a döntési eredményeket [17]. Ezzel szemben kevéssé ismert az SN / VTA szerepe a deklaratív emlékek megszerzésében. Noha az SN dopaminerg neuronok új stimulusokra reagálnak a kondicionálás során [13, 18, 19, 20], deklaratív memóriafeladatok során nem létezik SN SN-ok felvétele. Ezért továbbra sem ismert, hogy az SN idegsejtjei megkülönböztetik-e az új ingereket, és hogy az ilyen aktiválás kapcsolódik-e a memóriakódoló sikerhez.

Javasolták, hogy a dopaminerg rendszer és a hippokampusz olyan multisynaptic hurkot képezzen, amely egy hippokampusz újdonságjelrel kezdődik, amely átmenetileg gerjeszti az SN / VTA dopaminerg neuronjait, ami viszont a hippokampusz plaszticitásának erősítéséhez vezet a hippokampusz dopamin receptorok aktiválása révén (1. ábraA) [9, 23]. Bár az eredeti hipotézis mind az SN-re, mind a VTA-ra vonatkozik, itt csak a SN-re koncentrálunk, és így a következő megbeszélést az SN-re vonatkozó előrejelzésekre korlátozjuk. Ezenkívül nem korlátozódunk a beszélgetésre a dopaminerg SN idegsejtekre, mivel a GABAergic neuronok viszont gátolják a dopaminerg (DA) idegsejteket [24], így válaszuk egyformán releváns a hipotézis szempontjából. A hippokampusz-SN / VTA hurokhipotézis [9, 23] három konkrét előrejelzést tesz a deklaratív emlékek vonatkozásában: először azt jósolja, hogy az SN neuronok aktivitását a deklaratív memória feladatok során az ingerújdonság modulálja. Másodszor, azt jósolja, hogy ez a moduláció az inger megjelenéséhez képest először a hippocampusban következik, majd az SN. Harmadszor, ha releváns a deklaratív memória szempontjából, az új ingerek alatti SN-aktivitásnak előre kell jeleznie a memória kialakulásának sikerét vagy kudarcát, amelyet a későbbi viselkedés értékel. Itt teszteljük ezt a három jóslatot közvetlenül emberen, rögzítve az egyes SN idegsejtek aktivitását, és összefüggésbe hozva azok aktivitását a viselkedés által felmérett memóriaerősséggel.

Alanyok felismerési memória feladatot hajtottak végre, amelyre mi és mások is újdonságjelző neuronokat írtunk le az emberi hippokampuszban [25]. Az, hogy ezeket a memória-szelektív neuronokat milyen mértékben modulálják a folyamatos teta-oszcillációk, előrejelzi a memória kialakulásának sikerét vagy kudarcát [26]. A dopamint úgy gondolják, hogy elengedhetetlen az emlékezet kialakulásához ebben a feladatban, felveti a kérdést, hogy az SN-idegsejtek aktivitását a folyamatban lévõ theta-oszcillációk koordinálják-e vagy sem. A teta-frekvencia és az egyéb alacsony frekvenciájú rezgések kritikusak az információáramlás koordinálásában a kortikális és a subkortikális területek között [27, 28, 29], beleértve az SN / VTA-t, a hippokampust és agyképet. Nem ismeretes azonban, hogy az SN idegsejtek és a kéreg közötti idegi aktivitás koordinációja szerepet játszik-e a deklaratív memória kialakulásában. Itt egyidejűleg feljegyeztük az SN idegsejtek aktivitását a kortikális terepi potenciállal együtt az elülső lebenyben, hogy felmérjük, az SN neuronok aktivitása összehangol-e a kortikális aktivitással, és hogy az ilyen koordináció előrejelzi-e az emlékezet kialakulásának sikerét.

Eredmények

Feladat és viselkedés

23 alanyok (28 ülések; lásd S1 táblázat) egy mély agyi stimulációs (DBS) eszköz beültetése a subthalamus magba (STN), akár Parkinson-kór (PD), akár esszenciális tremor kezelésére, folyamatos felismerési memória feladatot végzett. Két felvételi szekciót kizártak, mivel a személyek véletlenszerűen hajtottak végre, és három ülést kizártak, mert a felvételeket az SN-n kívül végezték (lásd Az 1 számokD és 1E). Így az 23 munkamenetek elemzésre maradtak.

Az alanyokat felkérték, hogy tekintsék meg a képek sorozatát, és azonosítsák mindegyik képet újszerű vagy ismerősként (1. ábraB). Az alanyok vagy az „új”, vagy a „régi” gombot megnyomták válaszaik megadásához (a gomb identitása megfordult a kísérlet közepén). Minden képet legfeljebb háromszor mutattak be. Az első előadást „regénynek”, a másik két előadást pedig „ismerősnek” nevezik. Az alanyok jól teljesítettek, átlagos felismerési pontosságuk 82% (± 8%, ± SD; 1. ábraC). Továbbá az alanyok folytatták a tanulást, amit a második ismert előadás során mutatott jelentős teljesítménynövekedés (87% ± 13%) mutat az elsőhöz képest (74% ± 12%, t [22] = 5.62, p = 0.0005, permutáció párosítva t teszt). Csak más vizsgálatokat használtunk az elemzéshez, hacsak másképp nem jelezzük. A kérdő képernyő megjelenése és a gombnyomás között eltelt idő medián ideje 0.69 ± 0.99 s volt, az újszerű (1.12 ± 1.06 s) és az ismert válaszok (1.05 ± 0.90 s, t [22] = 1.17, p = 0.26, permutációs páros t teszt). Az általunk használt képek a három vizuális kategória (állatok, tájak és gyümölcsök) egyikébe tartoztak. A reakcióidőnél a vizuális kategória függvényében nem volt szignifikáns különbség (egyirányú permutáció ANOVA: F [2,44] = 2, p = 0.13). Ezek a viselkedési adatok együttesen azt mutatják, hogy a betegek pontosan teljesítették a feladatot. A műtét előtti neuropszichológiai értékelési teszt összhangban volt ezzel a megfigyeléssel (lásd S1 táblázat).

Elektrofiziológiai

Az SN-ből rögzített 66 jól izolált feltételezett egyetlen neuronokat azonosítottunk. Az 1 számokA D és az 1E bemutatja az összes rögzítési hely helyét a Talairach térben, sztereotaktikus koordináták alapján meghatározva (lásd még: STAR módszerek és a S2E és S2F). A neuronokat kvantitatív szempontból jól izolálták, a tüske-osztályozási minőségi mutatókkal (S1. Ábra). A kéziratban az idegsejt, az egység és a sejt kifejezéseket felcserélhető módon használjuk egy feltételezett egyetlen idegsejtre való utaláshoz. Az egyes mikroelektródokból a mezőpotenciálokat is rögzítettük a mikro-elektród csúcsa felett 3 mm-rel elhelyezkedő kis impedanciájú elektróda érintkezővel (S2. ÁbraA). Ezenkívül kortikális felületi (elektrokortikográfia [ECoG]) jeleket rögzítettünk egy szubdural csík elektróda segítségével, a mellső frontális-parietális agyfelület mentén helyezve el, amely a középső sulcus elülső és hátulsó részén terjed ki (S2B-S2D). Az EKG elektródák helyzetét és a hozzájuk kapcsolódó kérgi területeket lokalizáltuk az intraoperatív képalkotás és a medián idegstimuláció kombinációjának felhasználásával (lásd: STAR módszerek és a S2C és S2D). Az összes ECoG felvétel medián elhelyezkedése a 1. ábraF.

Az SN neuronok reagálnak a vizuális ingerekre

Először megvizsgáltuk, hogy az idegsejtek megváltoztatják-e a tüzelési sebességet a kép megjelenése alapján, amikor az összes kísérletet együtt vizsgálják, újdonságtól / ismeretektől függetlenül (lásd: STAR módszerek). Megállapítottuk, hogy 14/66 (21.2%, p = 0.002, a nulleloszláshoz képest; 2. ábraA) idegsejtek megváltoztatták tüzelésük sebességét a kép megjelenésére reagálva (összehasonlítva a tüskéket egy ablakban 0–1.5 másodpercig az inger kezdetét követve egy ablakkal, amely –0.5–0 s az inger megjelenését megelözöen). Ezen „képérzékeny” idegsejtek közül öt növelte a tüzelési sebességet az alapvonalhoz viszonyítva (példa a 2. ábraC) és az 9 csökkentette tüzelési sebességüket (a 2. ábraD). Azok a neuronok, amelyek növelték a tüzelési sebességüket, lényegesen gyorsabban reagáltak, mint azok, amelyek csökkentették a tüzelésük sebességét (224.8 ± 138.5 ms szemben 426 ± 141.9 ms, t [12] = 2.58, p = 0.03, permutált t teszt; lásd 2. ábraB).

Az emberi agy sok területén a neuronok megkülönböztetik a vizuális kategóriákat [30]. Ezért a következő kérdést tettük fel, hogy az SN idegsejtjeinek válasza megkülönbözteti-e a képek három különböző vizuális kategóriáját (állatok, tájak és gyümölcsök). SN kategóriájú idegsejtekre nem találtunk bizonyítékot: az egyirányú permutáció ANOVA nem mutatott ki jelentős számú vizuális kategóriára hangolt neuront (N = 6, 9.1%, p = 0.16; 2. ábraA). A mediális ideiglenes lebennyel (MTL) szemben30], nem találtunk vizuális kategóriájú jelet az SN-ben.

Az SN neuronok megkülönböztetik a regényt és a jól ismert stimuleket

Ezután megvizsgáltuk, hogy az SN idegsejtek jelezték-e az inger újdonságát (először megmutatták) vagy ismerősnek (felismerve a második vagy harmadik alkalommal). Az idegsejteket itt memória-szelektív (MS) neuronoknak nevezzük [25]. Megvizsgáltuk, hogy az SN-idegsejtek válaszai mutatják-e ezt a mintát, összehasonlítva az idegsejtek válaszát stimulus kezdete után az új és az ismerős vizsgálatok között. Először arra az alcsoportra összpontosítottunk, amelyben az ismerős ingerekhez képest nagyobb az új regények tüzelési sebessége (lásd STAR módszerek). Az 11 ilyen neuronokat azonosítottunk (Az 3 számokA – 3C; 16.6%, p = 0.002, a null eloszláshoz képest; Lásd még S3. ÁbraA). Az MS neuronok ezen részhalmazát „újszerű” neuronnak nevezzük. Ez az eltérés az új és az ismerős ingerek közötti válaszban már a kép második megjelenésekor látszik (3. ábraD, középső). A válasz maradt, de nem erősödött tovább, amikor összehasonlítottuk ugyanazon kép második és harmadik bemutatását (t [10] = 1.36, p = 0.21, permutált páros t teszt; lásd 3. ábraD, jobb). Ezenkívül az új és a megszokott ingerek közötti válaszbeli különbség nem függ az ugyanazon kép két egymást követő bemutatása közötti késleltetéstől (F [3,30] = 0.22, p = 0.88, egyirányú permutáció ANOVA; 3. ábraE).

Ezután teszteltük, hogy más SN idegsejtek növelik-e a tüzelés sebességét az ismert képekre reagálva. Megállapítottuk, hogy 6 neuron (9%, p = 0.01, a nulleloszláshoz képest; lásd még S3. ÁbraB) szignifikáns növekedést mutatott a megszokottnál az új képekhez képest. Az újszerű neuronokhoz hasonlóan az ilyen „ismerős” idegsejtek reakciója nem változott tovább ugyanazon kép második és harmadik bemutatása között (t [5] = 0.7, p = 0.06; 3. ábraD), és nem módosította ugyanazon kép egymást követő bemutatása közötti késés hossza (F [3,15] = 2.12, p = 0.14; 3. ábraE). Ezek az adatok együttesen bizonyították, hogy az SN neuronok jelentős részének lövési sebessége (16.6% és 9.0%; 3. ábraA) a képek újszerűsége vagy ismerete modulálta őket egy deklaratív memória feladatban. Fontos szempont, hogy ez a változás a válaszban egy tanulási próba után is látható volt (3. ábraD) mind az újdonság, mind a családias idegsejtek esetében.

Az 17 újdonságot és a megismerhetõ neuronokat együttesen MS neuronoknak nevezzük (3. ábraA). Az 4 MS idegsejtek képeket is reagáló neuronoknak is minősülnek (azaz változások mutattak a tüzelési sebességben az összes vizsgálatban együtt; lásd: 2. ábra). Ennek a kis átfedésnek az az oka, hogy nincs válasz a nem preferált ingerkategóriára. Ennek bemutatásához csak az újszerű vagy ismert kísérletek tüzelési sebességét hasonlítottuk össze (attól függően, hogy az idegsejt milyen típusú kísérletre volt érzékeny) az alapvonal tüzelésével. Ez feltárta, hogy az MS sejteknél a képbemutatás során lényegesen nagyobb volt a felvételi sebesség (0–1.5 s, 7.23 ± 17.9 Hz), mint az alapvonalhoz (−0.5–0 s, 6.2 ± 20.9 Hz, t [16] = 1.38, p = 0.042 , permutált páros t teszt), de csak az általuk előnyben részesített típusú kísérlethez (újszerű vagy ismerős; vegye figyelembe, hogy ez nem szelektálás útján történik, mert az MS neuronok kiválasztásakor nem veszik figyelembe az alap kiindulási sebességet).

További ellenőrző elemzéseket végeztünk annak ellenőrzésére, hogy ezt a memóriajelet nem más tényezők okozták, például az elektróda sodródása vagy a lassú égetési sebesség változásai. Először ellenőriztük, hogy nem volt-e hasonló különbség a kiindulási időszakban: sem az újdonság, sem a familiaritus típusú MS neuronok nem mutattak ilyen különbséget (3. ábraD, balra; nem szignifikánsan különbözik a 0-tól az újdonságú idegsejteknél [t [10] = 0.07, p = 0.94] és az ismerős idegsejteknél [t [5] = 0.58; p = 0.54]. Kipróbáltuk azt is, hogy hány MS neuront választanának ki, ha a szelekcióhoz az alapszakaszt (−0.5–0 s) használnánk, nem pedig az inger utáni megjelenési periódusra. Ez az elemzés a 1 egységből csak 1.5-et (66%) tárt fel, jelentős különbség az új és ismerős képek között. Végül vegyes hatású regressziós modellt használtunk azon tényezők azonosítására, amelyek megmagyarázzák az MS neuronok tüzelési sebességének szórását. Előrejelzőként a képek ismertségét és a próbaszámot használtuk (véletlenszerű hatásként pl. Az idegsejtek klaszterének azonosítóját használtuk). Ez az elemzés feltárta, hogy a képmegismerési regresszor a próba számának hatásait figyelembe véve is szignifikáns volt, és sokkal erősebb volt, mint a próbaszám regresszora mindkét MS neurontípus esetében (újdonság neuronok: t [864] = 8.95, p <1e − 30 új / régi regresszor és t [864] = 1.67; p = 0.09 a próbaszám regresszor esetében; ismerős idegsejtek: t [501] = 7.24, p <1e − 12 új / régi regresszor esetén szemben t [501] = 3.67, p = 0.0002 a próbaszám regresszor számára). Végül vegye figyelembe, hogy a kísérlet során véletlenszerűen keverjük össze az új és a megszokott ingereket. Ezek a kontrollanalízisek együttesen igazolják, hogy a válaszok különbsége nem tulajdonítható az elektródák sodródásának.

Az SN MS neuronok előre jelzik a viselkedést

Ezt követően azt vizsgáltuk, hogy az MS neuronok válasza (külön megvizsgálva az újdonságot és a családiasságot kedvelő idegsejteket) összefüggött-e a memóriával, annak felmérésével, hogy válaszuk változott-e az alany viselkedésével. Pontosabban, összehasonlítottuk a neurális válaszokat az ismert ingerekkel (amelyekkel korábban már legalább egyszer kimutattak), amelyekről a betegek helyesen emlékeztek („régi” válasz), és azokra, amelyeket tévesen elfelejtettek („új válasz”). Viselkedésben a betegek jó teljesítményt mutattak: emlékeztek (igaz pozitív arány) a képek 74% -ára az első ismétlés során („ismerős 1”) és 87% -ára a második ismétlés után („ismerős 2”). Megállapítottuk, hogy az újszerű sejtek válasza jelentősen gyengült azokban a kísérletekben, amelyek során az ismerős képeket tévesen újszerűnek értékelték ahhoz képest, amikor helyesen ismerősnek minősítették őket. A hibás 0.36 ± 0.36 Hz és a hibás 0.60 ± 0.24 Hz a helyes vizsgálatokhoz (lásd 3. ábraF; t [11] = 2.72, p = 0.02, permutált páros t teszt; a használt mutató a különbség volt az elsütési sebesség között, amikor egy kép újszerű volt és ismerős volt, az alapvonali felvételi sebességgel normalizálva). Ehhez az összehasonlításhoz kizártuk azokat a kísérleteket, amelyeknél a kezdeti regénybemutatás helytelen volt (hamis pozitív), ezért a megfigyelt különbség csak az elfeledett képeknek (hamis negatívumok) tulajdonítható. Bár kisebb, az elfeledett ismerős ingerekre adott válasz még mindig jelentősen különbözik a nullától (3. ábraF; t [11] = 3.98, p = 0.002, permutált t teszt). Ez az elemzés együttesen azt mutatja, hogy az újszerű neuronok reakciója jelezte, hogy emlékeznek-e egy ismert ingerre vagy elfelejtik-e. Azoknál az idegsejteknél, amelyek a felvételi sebességüket (n = 6) ismerős képekre növelik, ez a viselkedés-idegsejt-aktivitás korreláció kvantitatívan hasonló volt, de nem szignifikáns (3. ábraF; t [5] = 2.31, p = 0.056).

A válasz késése

Milyen gyorsan az inger beindulása után megkülönböztette az MS SN neuronok válaszát az új és az ismerős képek között? A kérdés megválaszolásához becsüljük meg az első olyan időpontot, amikor a válaszok különböznek az új és az ismerős képek között. Összehasonlítottuk a tüskés vonatok kumulatív összegét, egy módszerrel, amely nagy pontossággal becsülte meg az idegsejtek differenciális késleltetését [31]. Megállapítottuk, hogy az átlagos differenciál késleltetés 527 ms volt a kép megjelenése után (3. ábraG). Ezt a látenciát hasonlítottuk össze az MTL-ben újrakódolt MS idegsejtek késleltetésével (n = 122) egy hasonló új / régi felismerési feladat során egy másik betegpopulációban [32, 33]. Az MTL MS neuronjainak átlagos differenciális késleltetése 311 ms volt, ami lényegesen gyorsabb volt az SN-hez képest (p = 0.013, becsült egy empirikusan becsült null eloszlás alapján, amelyhez a területjelzőket véletlenszerűen újrarendelték). Ez az eredmény igaz volt akkor is, ha figyelembe vettük azokat az MS neuronokat, amelyek külön-külön növelték tüzelésüket az újdonságra és az ismerős ingerekre (p = 0.002 és p = 0.002, idegsejtek, összehasonlítva n = 64 újdonsággal és n = 58 ismerős idegsejtekkel MTL-ben). A válaszok ezen sorrendje kompatibilis a hippocampus és a VTA / SN közötti kölcsönhatás Lisman és Grace modelljével [9].

Sejttípus-elemzés

Az SN két alapvetõ típusú neuront tartalmaz: gátló GABAerg neuronok és dopaminerg neuronok, amelyek távoli célpontokra terjednek ki, ideértve a striatumot, az amygdalát és a hippokampust [4, 34, 35, 36]. Az extracelluláris felvételek segítségével a különféle sejttípusok gyakran megkülönböztethetők az extracelluláris tüske hullámforma szélességének és az átlagos égetési sebességnek a kombinációja alapján [37]. Különösen az SN-ben ismert, hogy a dopaminerg neuronok szélesebb hullámformákkal és alacsonyabb tüzelési sebességgel bírnak, mint a GABAerg neuronok [38, 39], amely a hullámforma szélességének bimodális eloszlását eredményezi az összes neuronon. Megállapítottuk, hogy az összes regisztrált idegsejtben (N = 66) a tüske szélességének eloszlása ​​bimodális volt (Hartigan dip-statisztikája: 0.0717, p = 0.006 [40]; lát Az 3 számokH és 3I). Következõen azt vizsgáltuk, hogy az MS idegsejtjei elsõsorban bizonyos sejttípusok voltak-e. Megállapítottuk, hogy az MS idegsejtjeit átlagosan hosszabb hullámformák jellemezték a nem MS idegsejtekhez képest (1.15 ± 0.23 ms versus 0.96 ± 0.32 ms; a hullámforma hosszát a két pozitív csúcs között eltelt időként mértük [14] a hullámalak; t [65] = 2.65, p = 0.012, permutációs t teszt; Az 3 számokH és 3I). Ezenkívül az MS idegsejtjei teljesítették a DA munkájára vonatkozó, az előző munkában meghatározott kritériumokat: 15/17 MS idegsejtek hullámformája hosszabb volt, mint 0.8 ms, és az égési sebességük alacsonyabb, mint 15 Hz [14, 41]. Megállapítottuk azt is, hogy az a felvételi hely, ahol az MS neuronokat azonosították, túlnyomórészt az SN háti részében található (Az 1 számokD és 1E). Ezek az eredmények összhangban vannak a pars compacta elhelyezkedésével, amelyben a dopaminerg neuronok nagy része található [42, 43]. Ezek az elemzések együttesen alátámasztják azt a nézetet, hogy az általunk azonosított MS idegsejtek feltételezhetően dopaminergek voltak.

SN-Cortex kölcsönhatások

Az SN neuronok aktivitása összefüggésben volt-e a terepi potenciál aktivitással a bazális ganglionokból és / vagy a kéreg felületéből? A tüske-mező interakciókat számszerűsítettük a tüske-mező koherencia (SFC) segítségével, mint mutatóval a kérdés megválaszolásához. Először, az SN idegsejtek és az bazális ganglionokban (STN) rögzített tereppotenciál közötti SFC szignifikánsan meghaladta a véletlenszerűséget a teta-frekvencia sávban (4. ábraA, bal oldali panel; szignifikáns, p <0.05, 2–5 Hz-en, az összes N = 56 neuronon, elegendő tüskével). Megjegyezzük, hogy itt a tereppotenciált valószínűleg az STN és nem az SN rögzítette, mivel a rögzítő érintkező 3 mm-rel a mikroelektród csúcsa felett helyezkedik el (lásd STAR módszerek és a S2. ÁbraA). Másodszor, az SN idegsejt aktivitása a kortikális tér potenciáljaival is összehangolt volt: az SN idegsejtek előszeretettel tüzeltek többet a kérgi felületről rögzített ECoG jelek theta- és alfa frekvenciasávjának egyes fázisaiban (az SFC jelentősen különbözött a frekvenciasáv, N = 6, p <12; 4. ábraA, jobb oldali panel; a statisztikákhoz lásd a jelmagyarázatot; Lásd még S4. Ábra minden elektródához). Ez csak egy pár ECoG érintkezőre volt igaz, amely a központi sulcus előtt helyezkedik el (+2 jelöléssel; más érintkezők nem voltak szignifikánsak; lásd: S4. Ábra). A +2 ECoG kontaktus a Brodmann 6-os területen (premotoros kéreg) a felső frontális gyruson található. Ez a megállapítás azt jelzi, hogy az SN neuronaktivitás funkcionálisan kapcsolódik a frontális lebeny ezen régiójához (lásd Megbeszélés). Ezt követően megvizsgáltuk, hogy ez a funkcionális kapcsolat viselkedésbeli szempontból releváns-e, összehasonlítva erejét az új kísérletek között, amelyeket később visszaemlékeztek az új kísérletekre, amelyeket később elfelejtettek.

Korábbi kutatások és modell előrejelzések alapján [26] feltételeztük, hogy a tüske-mező koherencia mértéke az új képek kódolása során megjósolja, hogy az alanyok sikeresen kódolnak-e új memóriát vagy sem. Ennek a hipotézisnek a teszteléséhez összehasonlítottuk az SFC-t az új képek megtekintésekor a később helyesen emlékezett kísérletek és a később elfelejtett (azaz újszerűnek minősített) kísérletek között. Ez a memória-összehasonlításból adódó különbség azt mutatta, hogy a később emlékezett képeket magasabb SFC kísérte a theta frekvenciatartományban az ECoG-k számára a kódolás során a központi sulcus elülső részén mérve (N = 58 neuron, 3–9 Hz, p <0.05; 4. ábraB, jobb oldali panel; a statisztikákat lásd a legendában). Ne feledje, hogy ez a számítás csak azokat a kísérleteket tartalmazza, amelyek során a képet először látták (regény), és amelyeket az alany helyesen jelölte meg „újnak”. Ezért a válasz mindig ugyanaz volt („új”), kizárva annak lehetőségét, hogy ez a különbség a motortervezés különbségeiből fakadjon. Az SFC-hez hasonlóan, az összes kísérletet figyelembe véve, ez a különbség csak a premotoros kéregben (központi sulcus +2; 4. ábraB; Az 4 számokA C és az 4D egy példát mutat a neuronok SFC-jére és a tüske által kiváltott átlagra). Nem tapasztaltunk hasonló összefüggést a bazális ganglionok (STN; 4. ábraB, bal panel; mind p> 0.05). Kontrollként összehasonlítottuk az ECoG teljesítményét a két feltétel között, de nem találtunk szignifikáns különbséget (4. ábraE; mind p> 0.05). Ez együttesen azt mutatja, hogy az SN neuronaktivitás és a premotor cortexből rögzített frontális kérgi mező potenciális aktivitása közötti hosszú távú SFC mértéke előre jelezte a sikeres memóriaképződést.

Hogyan lehet elérni ezt a hosszútávú csúcs / terepi koordinációt? A kérdés megválaszolásához ezután fázis-koherencia-elemzést végeztünk a bazális ganglionokban (STN) lévő tereppotenciál-felvételek és a kéregből származó ECoG-felvételek között, miközben a betegek megtekintették az új képeket (0–1.5 s az inger megjelenéséhez viszonyítva; lásd: STAR módszerek). Ez az elemzés azt mutatta, hogy az új memóriák sikeres kódolása a theta frekvenciatartományban (5–10 Hz; 4. ábraF; p <0.05; a statisztikákat lásd a legendában). Az SFC megállapításhoz hasonlóan ez a hatás csak a központi sulcus +2 elektródon volt megfigyelhető (4. ábraG). A központi sulcus +2 elektródáról felvett ECoG jelek teljesítménye az inger megjelenése után kb. 500 ms-tól kezdve jelentős béta-sáv-teljesítménycsökkenést mutatott, ami valószínűleg a mozgás előkészítéséhez kapcsolódott (4. ábraH). Ezt a béta-csökkenést a teeta frekvenciateljesítmény növekedése előzte meg (4. ábraH), amely röviddel az inger megjelenése után kezdődött. Ez a mintázat azt mutatja, hogy egy kép feldolgozása növeli a teta oszcillációk erejét az elülső kéregben, ami potenciális mechanizmust jelent, amelynek segítségével az SN neuronok modulálhatják tevékenységük és az elülső kortikális teta közötti koordináció mértékét. Itt megmutatjuk, hogy az ilyen fáziszárolás mértéke előrejelzi a memóriakódolási sikert, ami arra utal, hogy a theta frekvenciatartománybeli oszcillációk koordinálják az információk átvitelét a területek között a memóriakódolás során.

Megbeszélés

Megállapítottuk, hogy az egyedüli idegsejtek aktivitása az emberi lényegi nigra megkülönbözteti az új és az ismerős képeket a hippokampusz-függő deklaratív memória feladatban. Ezenkívül azt találtuk, hogy az SN neuronok aktivitásának koordinációja az elülső teta frekvencia oszcillációkkal előrejelzi a sikeres memória kialakulását. Bár a korábbi munkák azt mutatják, hogy az emberi SN idegsejtek reagálnak a jutalom előrejelzési hibáira [14] és ritka hangok egy páratlan labda paradigmában [16], adataink tudomásunk szerint az első tanulmány, amely leírja az SN neuronális aktivitását a deklaratív memória kialakulásakor az embereknél.

Az általunk leírt memóriaszelektív sejtek elektrofiziológiai tulajdonságai azt jelzik, hogy ezek a sejtek valószínűleg dopaminerg sejtek. Ez a következtetés két adatra támaszkodik: hullámformáik szélességére és anatómiai helyzetére. A dopaminerg neuronok jelentősen szélesebb extracelluláris hullámformákat mutatnak, mint az SN-ben is található GABAerg neuronok [38, 39, 44]. Ugyanakkor, bár a SN-ban az egész SN létezik dopaminerg neuronok, a legtöbb az SN Pars Parscta alrégiójában található [42, 43]. Ezért a legtöbb dopaminerg neuronnak az SN hátsó-medialis részében kell lennie, ahol a legtöbb MS neuron megtalálható. Ezekkel a kritériumokkal együtt kimutatták, hogy megbízhatóan elkülönítik a SN dopaminerg és GABAerg idegsejtjeit, kizárólag az elektrofiziológiai tulajdonságok alapján [38, 39, 44, 45, 46]. Ennek az állításnak a végleges megerősítéséhez vagy szövettani elemzés szükséges [47] vagy genetikai célzás [38]. Ezeket az idegsejteket feltételezhetően dopaminergnek nevezzük, jelezve, hogy ez a következtetés pusztán az extracelluláris felvételeken nyugszik.

Második szempont a folyamatos neurodegeneráció hatása az eredményeinkre. A vizsgálatban részt vevő alanyok többségének PD-je volt, ezért az SN-ben a dopaminerg sejtek jelentős vesztesége szenvedett. Felvételeink azonban egy olyan anatómiai területre jutottak, ahol a dopaminerg neuronok elegendő populációja még PD-ben is működőképes. A PD dopaminerg vesztesége egyenetlenül halad [48, 49], amely egyes területeket súlyosabban céloz meg, mint mások. A poszt mortem szövetanalízis PD betegekben tipikusan a dopaminerg idegsejtek veszteségét mutatják az SN caudalis részében, a sejtek körülbelül 90% -ával. Ezzel szemben a több háti terület sejtvesztesége mérsékeltebb (50% vagy kevesebb), hasonló mértékben, mint a normál öregedésnél megfigyelhető [49]. Valójában számos tanulmány sikerült rögzíteni feltételezett dopaminerg idegsejtekből olyan betegekben, akiknek STN DBS műtéten átesett PD-je van [14, 41]. Mivel a műtéti célpont az STN-ben van, ésszerű elvárni, hogy az SN-felvételek túlnyomórészt az SN hátsó részén legyenek. Ezt a feltételezést megerősítette az elektródok helyzetének elemzése, amely a legtöbb felvételt az SN hátulsó részén találta meg, ahol a betegség várhatóan viszonylag csekély hatása van [49]. Nem ismeretes azonban, hogy a PD befolyásolhatta-ea fennmaradó DA neuronok hullámformáit, amelyeket rögzítettünk. Bár a betegség súlyosságának és a hullámforma időtartamának összefüggését nem észleltük (lásd STAR módszerek), ez a kérdés továbbra is nyitott kérdés. Végül, a vizsgálatunkba bevont betegek jóval korábbi PD stádiumban voltak, mint a poszt mortem elemzésben részt vevők [48, 49], így megőrizve a dopaminerg sejtek nagyobb sűrűségét az SN háti területein.

Javasolták, hogy a hippokampás memória folyamatainak dopaminerg modulációja a fontos események szinaptikus plaszticitásának fokozása, például olyan események esetén, amelyek jutalmazzák, igazodnak az alany céljainak, vagy amelyek vonzzák a figyelmet [9, 23]. Ennek a jelnek az SN / VTA eléréséhez javasolt útvonala a felhalmozódásgátló magokból (NA) és a pedunculopontine tegmental magból (PPTg) származó afferensek útján történik, amelyek egyaránt részt vesznek a motivációs és figyelemfelkeltő folyamatok közvetítésében [50, 51]. Mind a NA, mind a PPTg viszont bemeneteket fogad a prefrontalis kéregből (PFC) és a hippokampusból, lehetővé téve számukra, hogy az aktuális célokról és az stimulus újdonságairól szóló jeleket integrálják [23, 50, 51]. Feltételezik, hogy a hippocampus újdonságjelei dopamin felszabadulást okoznak a hippokampuszban ezen a multisynaptikus úton [9, 23]. Itt az SN-n belül feltételezhető dopaminerg idegsejteket azonosítottunk, amelyek összeegyeztethetőek ezzel a hipotézissel, mivel az új stimulusokra adott növekvő válaszlépésekkel reagálnak. Érdekes, hogy az újdonságú idegsejteken kívül a feltételezett dopaminerg neuronok kisebb csoportját is azonosítottuk, amelyek növekvő kiürülési sebességgel reagáltak az ismert ingerekre. Az idegsejtek e csoportjának válasz-jellemzői egyébként hasonlóak voltak az újszerű neuronokhoz (Az 3 számokD, 3E és 3H), azzal a kivétellel, hogy nem jelezték szignifikánsan, hogy emlékeznek-e vagy elfelejtik-e egy ismert ingert (de vegye figyelembe, hogy ez nagy valószínűséggel a statisztikai erő hiányának tudható be). Bár Lisman és Grace elméleti modellje nem jósolja közvetlenül ezeket a neuronokat, valószínűleg szerepet játszanak a tanulásban is. Például a DA különböző koncentrációi akár szinaptikus depresszióhoz, akár potencírozáshoz vezethetnek [52] és a DA szintje képes szabályozni a hosszú távú potenciáció (LTP) / hosszú távú depresszió (LTD) küszöböt [53]. Ez arra utal, hogy az idegsejtek, amelyek növelik a DA ismerős ingerek szintjét, részt vehetnek ennek a homeosztázisnak a fenntartásában. Ezenkívül a különböző típusú dopamin receptorok különböző érzékenységgel és aktiválási küszöbökkel rendelkeznek, és közvetítik a plaszticitás különböző aspektusait, ideértve a kódolást és az emlékek megszilárdítását is.54, 55]. Ez az irodalom és megállapításaink együttesen alátámasztják azt a hipotézist, miszerint a megismerő neuronok szerepet játszanak a plaszticitási mechanizmusokban, amelyek megerősítik a már kódolt emlékeket. A hipotézis közvetlen teszteléséhez további munkára van szükség.

Az SN válaszok késleltetése szintén kompatibilis volt a Lisman és Grace modellel, nevezetesen, hogy az SN MS válaszok lényegesen később jelentek meg az MTL-ben megfigyeltekhez képest [33]. Itt azt találtuk, hogy az SN válaszok először 527 ms-mal voltak láthatóak az inger megjelenése után, amely idő nagyobb volt, mint az MTL-ben megfigyelt 311 ms-os intervallum [32]. Ennek az összehasonlításnak az egyik oka, hogy két különféle betegpopulációból származott (PD és epilepszia). Eredményeink együttesen alátámasztják azt az elképzelést, hogy az SN-ben megfigyelt stimulációs újdonságok az MTL-ből származnak. Fontos szempont, hogy az SN-sejtek modulációjának mértéke jelzi, hogy az alany helyesen ismeri-e fel az ismerős ingert. Ez az eredmény azt jelzi, hogy az SN-sejtek válaszai viselkedésbeli szempontból relevánsak voltak a deklaratív memóriafeladatban, amelyet az alanyok elvégeztek. Ez a megállapítás összhangban áll az emberi vizsgálatokkal is, amelyek azt mutatják, hogy az SN fMRI-vér-oxigén-szint-függő (BOLD) aktivitás előrejelzi a sikeres memória kialakulását [5, 6]. Nem ismeretes azonban, hogy mi a kapcsolat az SN különböző sejttípusai aktivitása és a BOLD jel között (de lásd: [56]). Ezzel szemben itt elektrofiziológiailag azonosítottuk a specifikus SN-sejttípusokat és kimutattuk, hogy a feltételezett DA-idegsejtek fázisos aktivitása röviddel az inger fellépése után előrejelzi a memória kialakulását.

Megfigyeltük, hogy az SN idegsejtek aktivitása szisztematikusan kapcsolódott a frontális kéregben folyamatban lévő teta oszcillációk fázisához (a preotor motoros kéregénél mérve). Ez a koordináció viselkedésbeli szempontból releváns volt, mivel a fáziszárolás mértéke előre jelezte a memória kialakulásának sikerét. Úgy gondolják, hogy a teta frekvenciatartományban fellépő oszcillációk koordinálják az információáramlást az MTL, a bazális ganglionok és a frontális kéreg között [27, 28, 29]. Itt megmutatjuk, hogy az SN idegrendszeri tüzelése az emberekben kortikális teta frekvencia-oszcillációkhoz kapcsolódik, és hogy ez a koordináció viselkedésbeli szempontból releváns a memória kialakulása szempontjából. A bazális ganglionok és a frontális kéreg közötti teta-szinkronia fontosságát a kognitív feladatokat ellátó emberi betegek korábbi feljegyzései bizonyították [57, 58]. Érdekes, hogy az STN lassú, 4 Hz-es stimulálása javítja a kognitív feladatok teljesítményét [58]. Az egyik kulcsfontosságú ismeretlen kérdés az, hogy a kvantitatív teta-oszcillációk kapcsolódnak-e a hippokampusz teta-hoz vagy vannak-e szinkronizálva ezzel [27, 28, 29].

Az STN antidrómikus stimulációja rövid latenciaválaszokat vált ki a premotoros kéregben, ami összeegyeztethető az emberek „hyperdirect” útvonalával [59]. Ennélfogva van legalább három út, amelyen keresztül az MTL-ből származó információ eljuthat az SN-hez: (1) az NA és a PPTg útján; (2) a hyperdirect útvonalon; és (3) a striatumon keresztül, amely összekapcsolódik a frontális kéreg nagy részével [60]. Ez a gazdag beidegződés valószínűleg az SN és a frontális kéreg funkcionális függőségét eredményezi, amint azt a BOLD-fMRI alkalmazásával megfigyelték [61, 62]. Ezenkívül a BOLD aktivitás a frontális kéregben megjósolja az új memóriák sikeres kódolását [63], egy olyan jel, amelyről azt gondolják, hogy tükrözi a frontális kéreg (beleértve a premotoros területeket) szerepét a cél szempontjából releváns információk kódolásának megkönnyítésében és több információ egyes darabjainak az egyes memóriákba történő rendezésében [63]. Itt bemutatunk egy lehetséges mechanizmust, amellyel az ilyen információk befolyásolhatják a memória kódolásának erősségét a dopaminerg SN aktivitás modulálásával. A jövőben kulcsfontosságú kísérlet lesz annak meghatározása, hogy az SN idegsejtek aktivitása összehangolódik-e a hippocampus theta oszcillációival, és ezek a theta oszcillációk hogyan viszonyulnak az itt mért frontális kortikális theta oszcillációkhoz.

Köszönetnyilvánítás

Hálásan elismerjük betegeink hajlandóságát a vizsgálatban való részvételre. Köszönjük a Cedars-Sinai műtő munkatársainak segítségét, Robert Zelaya és Lori Scheinost műszaki neurofiziológiai támogatást, Jeffrey Wertheimer pedig a betegek neuropszichológiai értékelését. Köszönjük Ralph Adolphsnak és a Rutishauser laboratórium összes tagjának a megbeszélést. Ezt a tanulmányt a Pfeiffer Alapítvány magfinanszírozása tette lehetővé, majd később az NIH NINDS (U01NS098961), az NSF CAREER Award (BCS-1554105) és a McKnight Neuroscience Alapítvány Alapítványa is támogatta (mind UR).

Szerzői hozzájárulások

Az UR és JK megtervezte a kísérletet. JK, UR, KB és CPM végzett kísérleteket. A JK és az UR elemzést végzett. Az ANM és KB műtétet végzett. Az MT betegellátást nyújtott. JK, ANM és UR írta a papírt. Az összes szerző megvitatta az eredményeket a projekt minden szakaszában.

Érdekeltségi nyilatkozat

A szerzők nem jelentenek versengő érdekeket.

Kiegészítő információk

S1 dokumentum. Az S1 – S4 és az S1 táblázat