Naujiena jautrūs dopaminerginiai neuronai žmogaus substantijoje Nigroje Numatoma deklaracinės atminties formavimo sėkmė (2018)

2018 balandis 12. pii: S0960-9822 (18) 30353-1. doi: 10.1016 / j.cub.2018.03.024. [Epub prieš spausdinimą]
 

Abstraktus

Informacijos kodavimą į ilgalaikę deklaratyvią atmintį palengvina dopaminas. Šis procesas priklauso nuo hipokampo naujumo signalų, tačiau lieka nežinoma, kaip tarpinių smegenų dopaminerginiai neuronai moduliuojami deklaratyvia atmintimi pagrįsta informacija. Mes užregistravome individualius substantia nigra (SN) neuronus ir žievės lauko potencialus žmonėms, atliekantiems atpažinimo atminties užduotį. Mes nustatėme, kad stimulo naujumas moduliavo 25% SN neuronų. Tarpląstelinės bangos formos forma ir anatominė vieta parodė, kad šie atmintį selektyvūs neuronai buvo tariamai dopaminergiški. Atminties atrankinių neuronų atsakai pasirodė po 527 ms po stimulo atsiradimo, pasikeitė po vieno tyrimo ir rodė atpažinimo tikslumą. SN neuronų fazė užrakinta priekinės žievės teta dažnio svyravimams, o šios koordinacijos mastas numatė sėkmingą atminties formavimąsi. Šie duomenys atskleidžia, kad žmogaus SN dopaminerginiai neuronai yra moduliuojami atminties signalų ir rodo informacijos srauto progresavimą hipokampo-pagrindo ganglijų-priekinės žievės kilpoje, skirtą atminties kodavimui.

ŽODŽIAI:

DBS; EKG; Parkinsono; bazinės ganglijos; dopamino; vieno žmogaus vienetas; atmintis; smaigalio lauko darna; Essu nigra; teta

figūra 1

Užduotis, elgesys ir įrašymo vietos

(A) Supaprastinta „Lisman-Grace“ modelio santrauka.

(B) Užduotis. Viršuje: ekranai, pristatomi tiriamiesiems per bandomąjį pavyzdį. Apačia: kiekvieno ekrano rodymo trukmė.

(C) Elgesys. Parodomas visų seansų atpažinimo tikslumas, išdėstytas rangas. Žalia juosta rodo seansus tikimybės tikslumu; geltonos juostos rodo sesijas, kurių įrašai lokalizuoti už SN ribų.

(D ir E) Mikroelektrodų įrašymo vietų vieta Talairacho erdvėje Y = −16 (D) ir Y = −17.2 (E). Kontūrai rodo iš atlaso gautas SN ir STN ribas [21]. Kontaktas yra raudonos spalvos, jei yra bent vienas atmintį atrenkantis neuronas (žr SN neuronai išskiria romaną ir pažįstamą stimulą ir Ląstelių tipo analizė) buvo įrašyta šioje vietoje ir mėlyna, jei kitaip.

F) žievės įrašų vieta. Parodyta - įrašytų „ECoG“ kontaktų vidutinė vieta per šešis įrašymo seansus, kuriems buvo atliktas operacinis rentgeno vaizdas (žr. STAR metodai). Pamatyti S2 paveikslasD - atskiro dalyko pavyzdys. Parodytos rekonstruotos smegenys yra šabloniškos smegenys [22].

Peržiūrėti didelį vaizdą | Peržiūrėti „Hi-Res“ vaizdą | Atsisiųskite „PowerPoint Slide“

Atidaro didelį vaizdą

Atidaro didelį vaizdą

Atidaro didelį vaizdą

 

Pabrėžia

• Žmogaus pagrindinius nigros (SN) neuronus moduliuoja stimulo naujovė

• Atmintyje atrenkami neuronai, esantys pagrindinėje nigroje, yra tariamai dopaminerginiai

• Fazinis SN neuronų fiksavimas prie priekinių svyravimų prognozuoja atminties formavimąsi

• Patvirtina Lismano ir Grace'io VTA / SN-hipokampo kilpos modelio prognozes žmonėms

Santrauka

Informacijos kodavimą į ilgalaikę deklaratyvią atmintį palengvina dopaminas. Šis procesas priklauso nuo hipokampo naujumo signalų, tačiau lieka nežinoma, kaip tarpinių smegenų dopaminerginiai neuronai moduliuojami deklaratyvia atmintimi pagrįsta informacija. Mes užregistravome individualius substantia nigra (SN) neuronus ir žievės lauko potencialus žmonėms, atliekantiems atpažinimo atminties užduotį. Mes nustatėme, kad stimulo naujumas moduliavo 25% SN neuronų. Tarpląstelinės bangos formos forma ir anatominė vieta parodė, kad šie atmintį selektyvūs neuronai buvo tariamai dopaminergiški. Atminties atrankinių neuronų atsakai pasirodė po 527 ms po stimulo atsiradimo, pasikeitė po vieno tyrimo ir rodė atpažinimo tikslumą. SN neuronų fazė užrakinta priekinės žievės teta dažnio svyravimams, o šios koordinacijos mastas numatė sėkmingą atminties formavimąsi. Šie duomenys atskleidžia, kad žmogaus SN dopaminerginiai neuronai yra moduliuojami atminties signalų ir rodo informacijos srauto progresavimą hipokampo-pagrindo ganglijų-priekinės žievės kilpoje, skirtą atminties kodavimui.

Įvadas

Deklaratyvių prisiminimų formavimas priklauso nuo hipokampinės sinapsių sugebėjimo greitai pakeisti savo jėgą per ilgalaikę potenciaciją ir depresiją [1]. Sinapsinio plastiškumo stiprumas ir trukmė priklauso nuo tarpląstelinio dopamino lygio [2, 3], neuromoduliatorius, kuris hipokampoje išsiskiria iš aksonų galų, išsikišančių iš dopaminerginių neuronų į pagrindinę nigrą (SN) ir ventralinį pagrindinį plotą (VTA) [4]. Hipokampinės deklaratyvių prisiminimų stiprumą keičia dopamino išsiskyrimas: tiek SN / VTA aktyvacijos mastas [5, 6] ir dopamino kiekis hipokampo srityje [2, 7] moduliuoti kodavimo sėkmę. Kai gyvūnai susiduria su nauja aplinka, dopamino lygis padidėja ir palengvina ilgalaikį hipokampo potencijos padidėjimą. Tačiau pagerėjus naujai aplinkai atmintis prarandama, kai užblokuojami hipokampo dopamino receptoriai [8]. Nors šie ir kiti pastebėjimai rodo kritinį SN / VTA neuronų išskiriamo dopamino vaidmenį deklaratyvioje atmintyje [9, 10, 11], pagrindiniai mechanizmai, reguliuojantys šį atsaką, yra menkai suprantami.

Tyrimas, kaip SN / VTA dopaminerginiai neuronai signalizuoja apie atlygio ir atlygio lūkesčių klaidas [12, 13, 14] atskleidė mechaninį SN / VTA vaidmens supratimą apie klasikinį konstravimą ir stiprinimą [15]. Be to, žmonėms SN neuronai taip pat reaguoja į nedažnus garsus esant nelyginio rutulio paradigmai [16] ir užkoduoti sprendimų rezultatus [17]. Priešingai, mažai žinoma apie SN / VTA vaidmenį įgyjant deklaratyvius prisiminimus. Nors SN dopaminerginiai neuronai reaguoja į naujus dirgiklius kondicionuodami [13, 18, 19, 20], atliekant deklaratyviosios atminties užduotis nėra SN neuronų įrašų. Todėl kol kas nežinoma, ar SN neuronai skiriasi nuo naujų dirgiklių ir ar toks aktyvavimas yra susijęs su atminties kodavimo sėkme.

Buvo pasiūlyta, kad dopaminerginė sistema ir hipokampas sudaro multisinapsinę kilpą, prasidedančią hipokampo naujovės signalu, kuris laikinai sužadina SN / VTA dopaminerginius neuronus, o tai savo ruožtu stiprina hipokampo plastiškumą aktyvuodami hipokampo dopamino receptorius (figūra 1A) [9, 23]. Nors pirminė hipotezė yra susijusi tiek su SN, tiek su VTA, mūsų dėmesys čia sutelktas tik į SN, todėl mes apsiribojame šia diskusija tik su SN susijusiomis prognozėmis. Taip pat mes neapsiribojame dopaminerginiais SN neuronais, nes GABAerginiai neuronai savo ruožtu slopina dopaminerginius (DA) neuronus [24], todėl jų atsakymas vienodai aktualus hipotezei. Hipokampo-SN / VTA kilpos hipotezė [9, 23] pateikia tris specifines deklaratyvių prisiminimų prognozes: pirma, ji numato, kad atliekant deklaratyvias atminties užduotis SN neuronų aktyvumą moduliuoja stimulo naujumas. Antra, ji numato, kad ši moduliacija, palyginti su dirgiklio atsiradimu, atsiranda pirmiausia hipokampe, po to SN. Trečia, jei tai svarbu deklaratyviai atminčiai, SN aktyvumas naujų dirgiklių metu turėtų numatyti atminties formavimo sėkmę ar nesėkmę, įvertintą vėliau. Čia mes išbandome šias tris prognozes tiesiogiai žmonėms, užregistruodami atskirų SN neuronų aktyvumą ir susiedami jų aktyvumą su elgesio požiūriu įvertinta atminties jėga.

Mūsų tiriamieji atliko atpažinimo atminties užduotį, kuriai mes ir kiti aprašėme žmogaus hipokampo naujoves signalizuojančius neuronus [25]. Atminties formavimo sėkmę ar nesėkmę lemia tai, kiek šie atmintyje selektyvūs neuronai yra moduliuojami vykstant teta virpesiams.26]. Manoma, kad dopaminas yra būtinas norint sėkmingai formuoti atmintį atliekant šią užduotį, todėl kyla klausimas, ar SN neuronų aktyvumą papildomai koordinuoja vykstantys teta virpesiai. Teta dažnio ir kiti žemo dažnio virpesiai yra kritiniai koordinuojant informacijos srautą tarp žievės ir subkortikinės srities [27, 28, 29], įskaitant SN / VTA, hipokampą ir žievę. Tačiau kol kas nežinoma, ar SN neuronų ir žievės nervų veiklos koordinavimas taip pat vaidina vaidmenį formuojant deklaraciją atmintyje. Tuo pačiu metu mes užfiksavome SN neuronų aktyvumą kartu su žievės lauko potencialiais virš priekinės skilties, kad įvertintume, ar SN neuronų aktyvumas yra suderintas su žievės veikla ir ar toks koordinavimas lemia atminties formavimo sėkmę.

rezultatai

Užduotis ir elgesys

23 dalykai (28 sesijos; žr Lentelė S1) implantuojant giluminius smegenų stimuliacijos (DBS) prietaisus į poodinį branduolį (STN), kad būtų galima gydyti Parkinsono ligą (PD) ar esminį drebulį, atlikta nenutrūkstamo atpažinimo atmintis. Dvi įrašų sesijos nebuvo įtrauktos, nes tiriamieji atliko atsitiktinumo lygiu, ir trys sesijos nebuvo įtrauktos, nes įrašai buvo daromi ne SN (žr 1 paveikslaiD ir 1E). Taigi 23 seansai liko analizuoti.

Tiriamųjų buvo paprašyta peržiūrėti vaizdų seką ir identifikuoti kiekvieną vaizdą kaip naują ar pažįstamą (figūra 1B). Tiriamieji paspaudė mygtuką „naujas“ arba „senas“, kad pateiktų atsakymus (mygtuko tapatybė buvo pakeista eksperimento viduryje). Kiekvienas vaizdas buvo pateiktas iki trijų kartų. Pirmasis pristatymas vadinamas „romanu“, o likusieji du pristatymai - „pažįstamais“. Tiriamieji pasirodė gerai, jų vidutinis atpažinimo tikslumas buvo 82% (± 8%, ± SD; figūra 1C). Be to, tiriamieji tęsė mokymąsi, kaip rodo reikšmingas rezultatų padidėjimas per antrą pažįstamą pristatymą (87% ± 13%), palyginti su pirmuoju (74% ± 12%, t [22] = 5.62, p = 0.0005, permutacija suporuota t testas). Analizei buvo naudojami tik teisingi bandymai, nebent nurodyta kitaip. Vidutinis laikas tarp klausimo ekrano pradžios ir mygtuko paspaudimo buvo 0.69 ± 0.99 s, reikšmingo reakcijos laiko tarp naujojo (1.12 ± 1.06 s) ir pažįstamo atsakymo (1.05 ± 0.90 s, t [22] = 1.17, p) reakcijos laiko skirtumo nebuvo. = 0.26, permutacijos porinis t testas). Kiekvienas mūsų naudojamas vaizdas priklausė vienai iš trijų skirtingų vaizdinių kategorijų (gyvūnai, peizažai ir vaisiai). Reikšmingų reakcijos laiko kaip vizualinės kategorijos skirtumų nebuvo (vienos krypties permutacija ANOVA: F [2,44] = 2, p = 0.13). Šie elgesio duomenys kartu rodo, kad pacientai užduotį atliko tiksliai. Prieš operaciją atlikto neuropsichologinio vertinimo testai atitiko šį stebėjimą (žr Lentelė S1).

Elektrofiziologija

Mes nustatėme 66 gerai izoliuotus tariamus pavienius neuronus, užfiksuotus iš SN. 1 paveikslaiD ir 1E parodo visų įrašymo vietų Talairach erdvėje vietas, nustatytas remiantis stereotaktinėmis koordinatėmis (taip pat žr. STAR metodai ir S2 skaičiaiE ir S2F). Neuronai buvo gerai izoliuoti, kiekybiškai įvertinti naudojant smailių rūšiavimo kokybės metriką (S1 paveikslas). Visame rankraštyje terminus neuronas, vienetas ir ląstelė vartojame pakaitomis, norėdami nurodyti tariamą vienintelį neuroną. Iš kiekvieno mikroelektrodo mes taip pat užfiksavome lauko potencialus, naudodami mažos varžos elektrodo kontaktą, esantį 3 mm virš mikroelektrodo antgalio (S2 paveikslasA). Be to, mes įrašėme žievės paviršiaus (elektrokortikografijos [ECoG]) signalus, naudodamiesi subduralinės juostelės elektrodu, išdėstytu išilgai nugaros priekinės ir parietalinės smegenų paviršiaus, išilgai priekinio ir užpakalinio centrinio sulpo (S2 skaičiaiB – S2D). EKG elektrodų padėtis ir su jais susijusios žievės sritys buvo nustatyti naudojant operacinį vaizdą ir vidutinę nervo stimuliaciją (žr. STAR metodai ir S2 skaičiaiC ir S2D). Visų ECoG įrašų mediana yra parodyta figūra 1F.

SN neuronai reaguoja į vizualinius stimulus

Pirmiausia mes išbandėme, ar neuronai pakeitė šaudymo greitį, atsižvelgiant į vaizdo pradžią, svarstant visus bandymus kartu, neatsižvelgiant į naujumą / susipažinimą (žr. STAR metodai). Mes nustatėme, kad 14/66 (21.2%, p = 0.002, palyginti su nuliniu pasiskirstymu; figūra 2A) neuronai pakeitė savo šaudymo greitį, reaguodami į vaizdo atsiradimą (lyginant šuolius lange 0–1.5 s po dirgiklio atsiradimo su langu –0.5–0 s prieš stimulo atsiradimą). Iš šių „į vaizdą reaguojančių“ neuronų penki padidino šaudymo greitį, palyginti su pradine linija (neurono pavyzdys parodytas figūra 2C) ir 9 sumažino šaudymo greitį (neurono pavyzdys parodytas figūra 2D). Neuronai, padidinę jų šaudymo greitį, reagavo žymiai greičiau nei tie, kurie sumažino jų šaudymo greitį (224.8 ± 138.5 ms, palyginti su 426 ± 141.9 ms, t [12] = 2.58, p = 0.03, permutuotas t testas; žr. figūra 2B).

Daugelyje žmogaus smegenų sričių neuronai atskiria regėjimo kategorijas [30]. Todėl mes paklausėme, ar SN neuronų atsakas skyrė tris skirtingas vaizdų vaizdines kategorijas (gyvūnus, peizažus ir vaisius). Neradome SN kategorijos neuronų įrodymų: vienpusė permutacija ANOVA neatskleidė reikšmingo skaičiaus neuronų, pritaikytų regos kategorijai (N = 6, 9.1%, p = 0.16; figūra 2A). Priešingai nei medialinė laikinoji skiltis (MTL) [30], SN neradome vaizdinės kategorijos signalo.

SN neuronai išskiria romaną ir pažįstamą stimulą

Toliau mes išbandėme, ar SN neuronai signalizavo, kad dirgiklis yra naujas (parodytas pirmą kartą) ar pažįstamas (parodytas antrą ar trečią kartą). Tokiais neuronais mes vadiname atmintį selektyvius (MS) neuronus [25]. Mes išbandėme, ar SN neuronų atsakas parodė šį modelį, palygindami neuronų atsakus po stimulo pradžios tarp naujų ir pažįstamų tyrimų. Pirmiausia mes sutelkėme dėmesį į pogrupį, kuris turėjo didesnį romano suaktyvėjimo laipsnį, palyginti su pažįstamais dirgikliais (žr STAR metodai). Mes nustatėme 11 tokius neuronus (3 paveikslaiA – 3C; 16.6%, p = 0.002, palyginti su nuliniu pasiskirstymu; taip pat žr S3 paveikslasA). Šį MS neuronų pogrupį mes vadiname „naujovės“ neuronais. Šis atsakymo skirtumas tarp naujų ir pažįstamų dirgiklių buvo akivaizdus jau antrą kartą matyant vaizdą (figūra 3D, vidurys). Atsakymas išliko, bet toliau nesustiprėjo lyginant antrąjį ir trečiąjį to paties vaizdo pateikimą (t [10] = 1.36, p = 0.21, permutuotas suporuotas t testas; žr. figūra 3D, dešinėje). Be to, atsako skirtumas tarp naujų ir pažįstamų dirgiklių nepriklausė nuo vėlavimo tarp dviejų vienas po kito einančių to paties vaizdo pateikimų (F [3,30] = 0.22, p = 0.88, vienpusė permutacija ANOVA; žr. figūra 3E).

Toliau mes išbandėme, ar kiti SN neuronai padidina šaudymo greitį, reaguodami į pažįstamus vaizdus. Mes nustatėme, kad 6 neuronai (9%, p = 0.01, palyginti su nuliniu pasiskirstymu; taip pat žr S3 paveikslasB) parodė reikšmingą žinomų, palyginti su naujais vaizdais, padidėjimą. Panašiai kaip naujumo neuronai, tokių „pažįstamų“ neuronų atsakas daugiau nepasikeitė tarp antrojo ir trečiojo to paties vaizdo pateikimo (t [5] = 0.7, p = 0.06; figūra 3D) ir nebuvo moduliuojamas dėl vėlavimo tarp vienas po kito einančių to paties vaizdo pateikimo trukmės (F [3,15] = 2.12, p = 0.14; figūra 3E). Šie duomenys kartu parodė, kad nemaža dalis SN neuronų išsiskiria (16.6% ir 9.0%; figūra 3A) buvo modifikuoti vaizdų naujumo ar žinomumo atliekant deklaratyvią atminties užduotį. Svarbu tai, kad šis atsakymo pokytis buvo matomas po vieno mokymosi bandymo (figūra 3D) tiek naujovių, tiek pažinimo neuronams.

17 naujovės ir pažinimo neuronus mes kartu vadiname MS neuronais (figūra 3A). 4 MS neuronai taip pat buvo kvalifikuoti kaip į vaizdą reaguojantys neuronai (ty jie parodė, kad pokyčiai šaudymo greityje pasikeitė visuose tyrimuose kartu; žr. figūra 2). Šio nedidelio sutapimo priežastis yra atsako į nepageidaujamą dirgiklių kategoriją nebuvimas. Norėdami tai parodyti, palyginome tik naujų ar žinomų bandymų (priklausomai nuo to, kokio tipo tyrimui neuronas buvo jautrus) šaudymo greitį su pradiniu šaudymo greičiu. Tai atskleidė, kad MS ląstelių fotografavimo greitis buvo žymiai didesnis (0–1.5 s, 7.23 ± 17.9 Hz), palyginti su pradine linija (–0.5–0 s, 6.2 ± 20.9 Hz, t [16] = 1.38, p = 0.042 , permutuotas suporuotas t testas), bet tik jų pageidaujamo tipo tyrimui (naujas ar žinomas; atkreipkite dėmesį, kad tai nėra atranka, nes renkantis MS neuronus nėra atsižvelgiama į pradinį šaudymo greitį).

Mes atlikome papildomą kontrolinę analizę, norėdami įsitikinti, kad šis atminties signalas atsirado ne dėl kitų veiksnių, tokių kaip elektrodo dreifas ar lėtas šaudymo greičio pokytis. Pirmiausia įsitikinome, kad pradiniu laikotarpiu panašus skirtumas neegzistavo: nei naujovės, nei pažįstamo tipo MS neuronai tokio skirtumo neparodė (figūra 3D, kairėje; reikšmingai nesiskiria nuo 0 naujumo neuronams [t [10] = 0.07, p = 0.94] ir žinomiems neuronams [t [5] = 0.58; p = 0.54]). Mes taip pat išbandėme, kiek MS neuronų būtų pasirinkta, jei atrankai naudotume pradinį laikotarpį (−0.5–0 s), o ne po stimulo atsiradimo laikotarpį. Ši analizė atskleidė tik 1 (1.5%) iš 66 vienetų, reikšmingas skirtumas tarp naujų ir žinomų vaizdų. Galiausiai, naudodami mišraus efekto regresijos modelį, nustatėme veiksnius, paaiškinančius MS neuronų šaudymo greičio dispersiją. Kaip nuspėjamieji, mes naudojome vaizdų žinomumą ir bandymo numerį (plius neuronų grupių ID buvo naudojamas kaip atsitiktinis efektas). Ši analizė atskleidė, kad vaizdų žinomumo regresorius buvo reikšmingas net įvertinus bandymo numerio poveikį ir buvo daug stipresnis nei tyrimo numerio regresorius abiejų MS neuronų tipams (naujumo neuronai: t [864] = 8.95, p <1e − 30 naujiems). / senas regresorius, palyginti su t [864] = 1.67; p = 0.09, kai bandomasis skaičius regresorius; pažįstami neuronai: t [501] = 7.24, p <1e − 12, jei naujas / senas regresorius lyginamas su t [501] = 3.67, p = 0.0002 teismo numerio regresoriui). Galiausiai atkreipkite dėmesį, kad viso eksperimento metu atsitiktinai maišėme naujus ir pažįstamus dirgiklius. Kartu šios kontrolinės analizės patvirtina, kad atsakų skirtumo negalima priskirti elektrodo dreifams.

SN MS neuronai prognozuoja elgesį

Toliau ištyrėme, ar MS neuronų atsakas (atskirai išbandytas dėl naujumą ir žinomumą mėgstančių neuronų) buvo susijęs su atmintimi, įvertindami, ar jų atsakas skiriasi nuo subjekto elgesio. Konkrečiai, mes palyginome nervinius atsakus su pažįstamais dirgikliais (tokiais, kurie buvo parodyti bent kartą anksčiau), kuriuos pacientai teisingai prisiminė (atsakymas „senas“), su tais, kuriuos jie klaidingai pamiršo (atsakas „naujas“). Elgesio požiūriu pacientai pasirodė gerai: pirmojo pakartojimo metu jie prisiminė (tikras teigiamas rodiklis) 74% vaizdų („pažįstamas 1“) ir 87% po antro pakartojimo („pažįstamas 2“). Mes nustatėme, kad bandymų, kuriuose žinomi vaizdai buvo klaidingai įvertinti kaip nauji, palyginus su tais atvejais, kai jie buvo teisingai įvertinti kaip pažįstami, naujovių ląstelių atsakas buvo žymiai susilpnėjęs, o netinkamo fotografavimo dažnio skirtumas buvo 0.36 ± 0.36 Hz, o neteisingas - 0.60 ± 0.24 Hz teisingus bandymus (žr figūra 3F; t [11] = 2.72, p = 0.02, permutuotas suporuotas t testas; naudojama metrika buvo šaudymo greičio skirtumas, kai vaizdas buvo naujas ir pažįstamas, normalizuotas pagal pradinį šaudymo greitį). Šiam palyginimui išskyrėme tyrimus, kurių pradinis romano pateikimas buvo neteisingas (klaidingai teigiamas), todėl pastebėtą skirtumą galima priskirti tik užmirštiems vaizdams (klaidingi neiginiai). Tačiau, nors ir mažesnis, reakcija į užmirštus pažįstamus dirgiklius vis tiek gerokai skyrėsi nuo nulio (figūra 3F; t [11] = 3.98, p = 0.002, permutuotas t testas). Kartu ši analizė rodo, kad naujumo neuronų atsakas rodė, ar pažįstamas dirgiklis bus prisimenamas, ar užmirštas. Neuronams, kurie padidina savo šaudymo greitį (n = 6) iki žinomų vaizdų, ši elgesio ir neuronų aktyvumo koreliacija buvo kiekybiškai panaši, bet nereikšminga (figūra 3F; t [5] = 2.31, p = 0.056).

Atsakymo vėlavimas

Kaip greitai po stimulo atsiradimo MS SN neuronų atsakas atskyrė naujus ir pažįstamus vaizdus? Atsakydami į šį klausimą, mes įvertinome pirmąjį momentą, kai atsakymai skyrėsi tarp naujų ir pažįstamų vaizdų. Palyginome sukauptą smaigalių traukinių sumą - metodą, pagal kurį labai tiksliai galima įvertinti neurono diferencialo latenciją.31]. Mes nustatėme, kad vidutinė latentinė skirtumo trukmė buvo 527 ms po vaizdo atsiradimo (figūra 3G). Palyginome šią latentą su MS neuronų (n = 122), perkoduotų MTL, vėlavimu atliekant panašią naują / seną atpažinimo užduotį kitoje pacientų populiacijoje [32, 33]. MTL MS neuronų vidutinis skirtingas latentinis laikotarpis buvo 311 ms, kuris buvo žymiai greitesnis, palyginti su SN (p = 0.013, apskaičiuotas remiantis empiriškai apskaičiuotu nuliniu pasiskirstymu, kuriam srities etiketės buvo atsitiktinai priskirtos). Šis rezultatas taip pat buvo teisingas, atsižvelgiant į MS neuronus, kurie padidino jų šaudymo greitį iki naujumo ir pažįstamų dirgiklių atskirai (p = 0.002 ir p = 0.002, neuronai, atitinkamai, palyginti su n = 64 naujumo ir n = 58 pažįstamais neuronais MTL). Ši atsakymų tvarka yra suderinama su Lismano ir Grace hipokampo ir VTA / SN sąveikos modeliu [9].

Ląstelių tipo analizė

SN yra du pagrindiniai neuronų tipai: slopinantys GABAerginiai neuronai ir dopaminerginiai neuronai, kurie išsikiša į tolimus taikinius, įskaitant striatumą, amygdalą ir hipokampą [4, 34, 35, 36]. Naudojant tarpląstelinius įrašus, skirtingus ląstelių tipus dažnai galima atskirti remiantis tarpląstelinio smaigalio bangos formos pločio ir vidutinio šaudymo greičio deriniu [37]. Visų pirma SN yra žinoma, kad dopaminerginiai neuronai turi platesnes bangos formas ir mažesnį šaudymo greitį, palyginti su GABAergic neuronais [38, 39], kurio rezultatas yra bimodinis bangos formos pločio pasiskirstymas visuose neuronuose. Mes nustatėme, kad visuose užregistruotuose neuronuose (N = 66) smaigalių pločių pasiskirstymas buvo bimodalinis (Hartigano kritimo statistika: 0.0717, p = 0.006 [40]; pamatyti 3 paveikslaiH ir 3I). Taigi mes toliau ištyrėme, ar IS neuronai buvo tam tikros rūšies ląstelės. Mes nustatėme, kad MS neuronams vidutiniškai būdinga ilgesnė bangos forma, palyginti su ne MS neuronais (1.15 ± 0.23 ms, palyginti su 0.96 ± 0.32 ms; bangos formos ilgis buvo matuojamas kaip laikas, praėjęs tarp dviejų teigiamų smailių [14] bangos formos; t [65] = 2.65, p = 0.012, permutacijos t testas; 3 paveikslaiH ir 3I). Be to, MS neuronai atitiko ankstesniame darbe nustatytus DA neuronų kriterijus: 15/17 MS neuronų bangos buvo ilgesnės nei 0.8 ms, o šaudymo dažnis buvo mažesnis nei 15 Hz [14, 41]. Mes taip pat nustatėme, kad įrašymo vietos, kuriose buvo nustatyti MS neuronai, daugiausia buvo SN nugaros dalyje (1 paveikslaiD ir 1E). Šie rezultatai atitinka pars compacta vietą, kurioje yra didžioji dalis dopaminerginių neuronų [42, 43]. Kartu šios analizės patvirtina nuomonę, kad mūsų nustatyti MS neuronai buvo tariamai dopaminergiški.

SN-Cortex sąveika

Ar SN neuronų aktyvumas buvo susijęs su lauko potencialiu aktyvumu, užfiksuotu iš bazinių ganglijų ir (arba) žievės paviršiaus? Kiekybiškai įvertinome smailaus lauko sąveiką, naudodamiesi smaigo lauko koherencija (SFC) kaip metriką atsakymui į šį klausimą. Pirma, SFC tarp SN neuronų ir lauko potencialų, užfiksuotų baziniuose ganglijuose (STN), buvo žymiai didesnis nei tikimybė teta dažnio juostoje (figūra 4A, kairysis skydelis; reikšmingas p <0.05 2–5 Hz dažniu visuose N = 56 neuronuose, kuriuose yra pakankamai smaigalių). Atkreipkite dėmesį, kad čia lauko potencialas greičiausiai buvo užfiksuotas iš STN, o ne SN dėl įrašymo kontakto vietos 3 mm virš mikroelektrodo antgalio (žr. STAR metodai ir S2 paveikslasA). Antra, SN neuronų aktyvumas taip pat buvo suderintas su žievės lauko potencialais: SN neuronai pirmenybę teikė šaudymui tam tikrose ECoG signalų, įrašytų iš žievės paviršiaus, teta ir alfa dažnių juostos fazėse (SFC žymiai skyrėsi 6–12 Hz dažniu). dažnių juosta, N = 61, p <0.05; figūra 4A, dešinysis skydelis; statistiką žr. legendoje; taip pat žr S4 paveikslas visiems elektrodams). Tai pasakytina tik apie vieną porą EKoG kontaktų, esančių priešais centrinį sulcus (pažymėta kaip +2; kiti kontaktai nebuvo reikšmingi; žr. S4 paveikslas). +2 ECoG kontaktai buvo ant viršutinės priekinės giros Brodmanno 6 srityje (premotorinė žievė). Ši išvada rodo, kad SN neuronų aktyvumas yra funkciškai susijęs su šiuo priekinės skilties regionu (žr Diskusija). Toliau mes išbandėme, ar šis funkcinis ryšys yra tinkamas elgsenai, palygindami jo stipriumą tarp naujų bandymų, kurie vėliau buvo prisiminti, su naujais bandymais, kurie vėliau buvo pamiršti.

Remiantis ankstesniais tyrimais ir modelių prognozėmis [26], mes iškėlėme hipotezę, kad smaigalio lauko darnos mastas užkoduojant naujus vaizdus numato, ar tiriamieji sėkmingai užkoduos naują atmintį, ar ne. Norėdami patikrinti šią hipotezę, peržiūrėdami naujus vaizdus palyginome SFC tarp bandymų, kurie vėliau buvo teisingai prisiminti, palyginti su bandymais, kurie vėliau buvo pamiršti (ty identifikuoti kaip nauji). Šis skirtumų dėl atminties palyginimas parodė, kad vaizdai, kurie vėliau buvo prisiminti, kartu su didesniu SFC teta dažnių diapazone ECoG buvo matuojami prieš centrinį sulcus kodavimo metu (N = 58 neuronai, 3–9 Hz, p <0.05; figūra 4B, dešinysis skydelis; žr. statistikos legendą). Atminkite, kad į šį skaičiavimą įeina tik bandymai, kurių metu vaizdas buvo matomas pirmą kartą (romanas) ir kuris tiriamasis buvo teisingai pažymėtas kaip „naujas“. Todėl atsakymas visada buvo tas pats („naujas“), atmetant galimybę, kad šis skirtumas atsirado dėl variklio planavimo skirtumų. Panašiai kaip ir SFC, atsižvelgiant į visus bandymus, šis skirtumas buvo reikšmingas tik laukų potencialams, užfiksuotiems iš priekinio +2 kontakto, esančio ant premotorinės žievės (centrinis sulcus +2; figūra 4B; 4 paveikslaiC ir 4D rodo neurono SFC ir smailės suaktyvinto vidurkio pavyzdį). Panašaus santykio su lauko galimų įrašų iš bazinių ganglijų (STN; figūra 4B, kairysis skydelis; visi p> 0.05). Kaip kontrolę, mes taip pat palyginome ECoG galią tarp dviejų sąlygų, tačiau neradome reikšmingų skirtumų (figūra 4E; visi p> 0.05). Tai kartu rodo, kad tolimojo nuotolio SFC mastas tarp SN neuronų aktyvumo ir priekinio žievės lauko potencialinio aktyvumo, užfiksuoto iš premotorinės žievės, numatė sėkmingą atminties formavimąsi.

Kaip būtų galima pasiekti šio ilgo nuotolio / lauko koordinavimą? Norėdami atsakyti į šį klausimą, mes atlikome laukų potencialių įrašų bazinėse ganglijose (STN) ir ECoG įrašų iš žievės fazių darnos analizę, gautą pacientams žiūrint naujus vaizdus (0–1.5 s, palyginti su dirgiklio pradžia; žr. STAR metodai). Ši analizė parodė, kad sėkmingas naujų atminties kodavimas buvo susijęs su žymiai didesne fazių darna teta dažnių diapazone (5–10 Hz; figūra 4F; p <0.05; žr. statistikos legendą). Panašiai kaip SFC išvadoje, šis poveikis buvo pastebimas tik ant centrinio sulcus +2 elektrodo (figūra 4G). ECoG signalų, užregistruotų iš centrinio sulcus +2 elektrodo, galia parodė ryškų beta juostos galios sumažėjimą, prasidėjusį maždaug 500 ms po stimulo atsiradimo, kuris greičiausiai buvo susijęs su pasirengimu judėjimui (figūra 4H). Prieš šį beta sumažėjimą padidėjo teta dažnio galia (figūra 4H), kuris prasidėjo netrukus po dirgiklio pradžios. Šis modelis rodo, kad apdorojant vaizdą padidėja teta virpesių galia priekinėje žievėje, o tai suteikia potencialų mechanizmą, pagal kurį SN neuronai galėtų moduliuoti jų aktyvumo ir priekinės žievės teta koordinacijos laipsnį. Čia parodome, kad tokio fazės užrakinimo laipsnis lemia atminties kodavimo sėkmę, o tai rodo, kad teta dažnių diapazono virpesiai koordinuoja informacijos perdavimą tarp sričių atminties kodavimo metu.

Diskusija

Mes nustatėme, kad atskirų neuronų aktyvumas žmogaus pagrindinėje nigroje išskiria naujus ir pažįstamus vaizdus hipokampo priklausomos deklaratyvios atminties užduotyje. Be to, mes nustatėme, kad SN neuronų aktyvumo su priekinės teta dažnio virpesiais koordinavimo laipsnis sąlygojo sėkmingą atminties formavimąsi. Nors ankstesnis darbas rodo, kad žmogaus SN neuronai reaguoja į atlygio numatymo klaidas [14] ir nedažni garsai nelyginio rutulio paradigmoje [16], mūsų žiniomis, mūsų duomenys yra pirmasis tyrimas, apibūdinantis SN neuronų aktyvumą deklaratyviai formuojantis žmonėms.

Mūsų aprašytų selektyvių atminties ląstelių elektrofiziologinės savybės rodo, kad šios ląstelės greičiausiai yra dopaminerginės. Ši išvada remiasi dviem duomenimis: jų bangos formų pločiu ir anatomine padėtimi. Dopaminerginiai neuronai turi žymiai platesnes tarpląstelines bangos formas, palyginti su GABAerginiais neuronais, taip pat esančiais SN [38, 39, 44]. Be to, nors dopaminerginiai neuronai egzistuoja visame SN, didžioji dalis jų yra SN SN pareregijoje.42, 43]. Todėl dauguma dopaminerginių neuronų turėtų būti SN nugarinėje-medialinėje dalyje, kurioje mes nustatėme daugumą MS neuronų. Kartu įrodyta, kad šie kriterijai patikimai atskiria SN dopaminerginius ir GABAerginius neuronus, remiantis vien elektrofiziologiniais požymiais [38, 39, 44, 45, 46]. Norint galutinai patvirtinti šį teiginį, reikės arba histologinės analizės [47] arba genetinis taikymas [38]. Šie neuronai vadinami tariamai dopaminerginiais, nurodant, kad ši išvada priklauso tik nuo tarpląstelinių įrašų.

Antras aspektas yra vykstančios neurodegeneracijos poveikis mūsų rezultatams. Dauguma tiriamųjų turėjo PD ir todėl nukentėjo dėl didelio dopaminerginių ląstelių praradimo SN. Tačiau mūsų įrašai pasiekė anatominę sritį, kurioje pakankama dopaminerginių neuronų populiacija vis dar veikia net ir PD. Dopaminerginis PD progresas progresuoja netolygiai [48, 49], nukreipta į kai kurias sritis griežčiau nei į kitas. Audinių, atliktų po skerdimo, analizė PD sergantiems pacientams paprastai rodo didelį dopaminerginių neuronų praradimą kaukolės SN dalyje. Prarandama maždaug 90% ląstelių. Priešingai, ląstelių nykimas daugiau nugaros sričių yra vidutiniškas (50% ar mažiau) tiek, kiek panašus į tai, ką galima pastebėti normaliai senstant.49]. Iš tiesų, keliuose tyrimuose pavyko užfiksuoti numanomus dopaminerginius neuronus pacientams, sergantiems PD, kuriems buvo atlikta STN DBS operacija [14, 41]. Turint omenyje chirurginį taikinį STN, pagrįsta tikėtis, kad SN įrašai daugiausia bus SN nugaros srityje. Šią prielaidą patvirtino mūsų elektrodų padėties analizė, kuri parodė daugiausiai įrašų SN nugarinėje dalyje, kur tikimasi, kad ligos poveikis bus nedidelis [49]. Tačiau kol kas nežinoma, ar PD galėjo turėti įtakos likusių DA neuronų, kuriuos mes užfiksavome, bangų formoms. Nors mes nenustatėme ligos sunkumo koreliacijos su bangos formos trukme (žr STAR metodai), šis klausimas lieka atviras klausimas. Galiausiai pacientai, įtraukti į mūsų tyrimą, buvo žymiai ankstesniais PD etapais nei tie, kurie buvo įtraukti į pomirtinio tyrimo analizę [48, 49], todėl išsaugant didesnį dopaminerginių ląstelių tankį SN nugaros srityje.

Siūloma, kad hipokampinės atminties procesų dopaminerginės moduliacijos vaidmuo būtų sustiprinti sinapsinį plastiškumą svarbiems įvykiams, tokiems, kurie teikia naudą, yra suderinti su subjekto tikslais arba kurie patraukia dėmesį [9, 23]. Siūlomas būdas šiam signalui pasiekti SN / VTA per akumuliatorių branduolio (NA) ir pedunculopontine tegmental branduolio (PPTg), kurie yra tarpininkavimo skatinant motyvacinius ir dėmesio procesus, aferitus.50, 51]. Tiek NA, tiek PPTg savo ruožtu gauna įėjimus iš prefrontalinės žievės (PFC) ir hipokampo, leidžiančius jiems integruoti signalus apie dabartinius tikslus ir stimulo naujumą [23, 50, 51]. Iškelta hipotezė, kad hipokampo naujumo signalai per šį multisynaptinį kelią sukelia dopamino išsiskyrimą hipokampe [9, 23]. Čia mes nustatėme spėjamus dopaminerginius neuronus SN, kurie yra suderinami su šia hipoteze, nes jie reaguoja padidėjus šaudymo greičiui į naujus dirgiklius. Įdomu tai, kad be naujoviškų neuronų, mes nustatėme ir mažesnę tariamų dopaminerginių neuronų grupę, kuri reagavo padidindama šaudymo greitį į pažįstamus dirgiklius. Šios neuronų grupės reakcijos savybės kitaip buvo panašios į naujoviškų neuronų (3 paveikslaiD, 3E ir 3H), išskyrus tai, kad jie reikšmingai neparodė, ar pažįstamas dirgiklis bus prisimenamas ar pamirštas (tačiau atkreipkite dėmesį, kad tai greičiausiai yra dėl statistinės galios trūkumo). Nors Lismano ir Grace teorinis modelis tų neuronų tiesiogiai nenuspėja, tikėtina, kad jie taip pat vaidina svarbų vaidmenį mokantis. Pavyzdžiui, skirtinga DA koncentracija gali sukelti sinapsinę depresiją arba sustiprėjimą [52] ir DA laipsniai gali kontroliuoti ilgalaikės potenciacijos (LTP) / ilgalaikės depresijos (LTD) slenkstį [53]. Tai rodo, kad neuronai, padidinantys pažįstamų dirgiklių DA lygį, gali dalyvauti palaikant šią homeostazę. Be to, skirtingų tipų dopamino receptoriai turi skirtingą jautrumą ir aktyvacijos slenksčius ir tarpininkauja skirtingais plastiškumo aspektais, įskaitant kodavimą ir prisiminimų konsolidavimą [54, 55]. Kartu ši literatūra kartu su mūsų išvadomis patvirtina hipotezę, kad pažinimo neuronai vaidina tam tikrą plastiškumo mechanizmą, kuris padeda sustiprinti jau užkoduotus prisiminimus. Norint tiesiogiai patikrinti šią hipotezę, reikalingas būsimas darbas.

SN atsakų delsimas taip pat buvo suderinamas su Lismano ir Grace'o modeliu, ty SN MS atsakymai atsirado žymiai vėliau, palyginti su stebimais MTL [33]. Čia mes nustatėme, kad SN atsakai pirmą kartą buvo matomi po 527 ms po stimulo atsiradimo, laikas, kuris buvo didesnis už MTL pastebėtą 311 ms intervalą [32]. Šio palyginimo įspėjimas yra tas, kad jis buvo gautas iš dviejų skirtingų pacientų grupių (atitinkamai PD ir epilepsijos). Kartu mūsų rezultatai patvirtina mintį, kad SN pastebėta informacija apie stimulo naujovę yra kilusi iš MTL. Svarbu tai, kad SN ląstelių moduliacijos laipsnis rodė, ar subjektas teisingai atpažins pažįstamą stimulą. Šis rezultatas rodo, kad SN ląstelių atsakas buvo tinkamas elgesio atžvilgiu atliekant deklaratyviąją atminties užduotį, kurią atliko mūsų tiriamieji. Ši išvada taip pat atitinka žmonių tyrimus, rodančius, kad SN fMRI, priklausantis nuo kraujo, deguonies lygio (BOLD), veikla numato sėkmingą atminties formavimąsi [5, 6]. Tačiau vis dar nežinoma, koks ryšys yra tarp skirtingų SN tipų ląstelių aktyvumo ir BOLD signalo (bet žr. [56]). Priešingai, čia elektrofiziologiškai nustatėme specifinius SN ląstelių tipus ir parodėme, kad tikėtinas DA neuronų fazinis aktyvumas netrukus po stimuliacijos pradžios yra prognozuojantis atminties formavimąsi.

Pastebėjome, kad SN neuronų aktyvumas buvo sistemingai susijęs su vykstančių teta virpesių faze priekinėje žievėje (matuojant per premotorinę žievę). Ši koordinacija buvo svarbi elgesio atžvilgiu, nes fazės fiksavimo laipsnis lėmė atminties formavimo sėkmę. Manoma, kad teta dažnių diapazono virpesiai koordinuoja informacijos srautą tarp MTL, bazinių ganglijų ir priekinės žievės [27, 28, 29]. Dabar mes parodome, kad žmonėms SN neuronų sudegimas yra susijęs su žievės teta dažnio virpesiais ir kad toks koordinavimas yra elgesio požiūriu svarbus formuojant atmintį. Teta sinchronijos tarp bazinių ganglijų ir priekinės žievės svarba buvo nustatyta ankstesniais įrašais apie žmones, atliekančius pažintines užduotis [57, 58]. Įdomu tai, kad lėtas 4 Hz STN stimuliavimas pagerina kognityvinių užduočių atlikimą [58]. Svarbiausias nežinomas klausimas yra tai, ar kiekybiškai įvertinti teta virpesiai yra susiję ar sinchronizuojami su hipokampos teta [27, 28, 29].

Antikrominė STN stimuliacija sukelia trumpus latentiškus atsakus premotorinėje žievėje, o tai suderinama su „hiperdirektyviu“ keliu žmonėms [59]. Taigi yra bent trys būdai, kuriais MTL informacija galėtų pasiekti SN: (1) per NA ir PPTg; (2) per tiesioginį kelią; ir (3) per striatum, sujungtą su didžiąja priekinės žievės dalimi [60]. Ši turtinga inervacija greičiausiai sukelia SN ir priekinės žievės funkcinę priklausomybę, stebėtą naudojant BOLD-fMRI [61, 62]. Taip pat BOLD veikla priekinėje žievėje numato sėkmingą naujų prisiminimų kodavimą [63], signalas, kuris, kaip manoma, atspindi priekinės žievės (įskaitant priešvario sritis) vaidmenį palengvinant su tikslu susijusios informacijos kodavimą ir organizuojant keletą informacijos dalių į individualią atmintį [63]. Čia mes parodome galimą mechanizmą, pagal kurį tokia informacija galėtų paveikti atminties kodavimo stiprumą moduliuodama dopaminerginį SN aktyvumą. Pagrindinis ateities eksperimentas bus nustatyti, ar SN neuronų aktyvumas taip pat derinamas su hipokampo teta svyravimais ir kaip šie teta svyravimai yra susiję su čia išmatuotais priekinės žievės teta virpesiais.

Padėka

Mes labai dėkojame apie savo pacientų norą dalyvauti šiame tyrime. Dėkojame „Cedars-Sinajaus“ operacinės personalui už pagalbą, Robertui Zelaya ir Lori Scheinost už techninę neurofiziologinę paramą, Jeffrey Wertheimeriui už neuropsichologinį pacientų vertinimą. Dėkojame Ralphui Adolphui ir visiems „Rutishauser“ laboratorijos nariams už diskusiją. Šis tyrimas buvo įmanomas dėl pradinio Pfeiffer fondo finansavimo, vėliau jį taip pat rėmė NIH NINDS (U01NS098961), NSF CAREER apdovanojimas (BCS-1554105) ir „McKnight“ Neuromokslų fondas (visi į UR).

Autoriaus įnašai

UR ir JK suprojektavo eksperimentą. JK, UR, KB ir CPM atliko eksperimentus. JK ir UR atlikta analizė. ANM ir KB atliktos operacijos. MT teikė paciento priežiūrą. JK, ANM ir UR parašė darbą. Visi autoriai aptarė rezultatus visuose projekto etapuose.

Pomėgių deklaracija

Autoriai nerodo jokių konkuruojančių interesų.

Papildoma informacija

Dokumentas S1. S1 – S4 ir S1 lentelės paveikslai