Novelty-Sensitive Dopaminerg Neurons i Human Substantia Nigra Forutsi Suksess For Deklarativ Memory Formation (2018)

Figur 1

Oppgave-, atferds- og opptaksplasseringer

(A) Forenklet sammendrag av Lisman-Grace-modellen.

(B) Oppgaven. Øverst: skjermbilder presentert for forsøkspersonene under et eksempel. Nederst: hvor lang tid hver skjerm ble vist for.

(C) Atferd. Anerkjennelsesnøyaktighet for alle økter, rangert rangert, vises. Grønne søyler indikerer økter med presis sjanse; gule søyler indikerer økter med innspillinger lokalisert utenfor SN.

(D og E) Plassering av mikroelektrodeopptakssteder i Talairach-rommet ved Y = -16 (D) og Y = -17.2 (E). Konturer indikerer atlas-avledede grenser for SN og STN [21]. En kontakt er farget med rødt hvis minst en minneselektiv nevron (se SN Neurons skiller mellom roman og kjent Stimuli og Celletype analyse) ble spilt inn på dette stedet og blått hvis ikke.

(F) Plassering av kortikale opptak. Vist er medianplassering av de innspilte ECoG-kontaktene over de seks opptaksøktene som et intraoperativt røntgenbilde var tilgjengelig for (se se STAR Metoder). Se Figur S2D for et eksempel fra et individuelt fag. Den rekonstruerte hjernen som er vist er en malhjerne [22].

Se stort bilde | Se Hi-Res Image | Last ned PowerPoint Slide

Høydepunkter

• Menneskelige substantia nigra (SN) nevroner moduleres av stimulansnyhet

• Hukommelsesselektive nevroner i substantia nigra er formodentlig dopaminerge

• Faselåsing av SN-neuroner til frontale svingninger forutsier minnedannelse

• Validerer spådommer om Lisman og Graces VTA / SN-hippocampus loop-modell hos mennesker

Sammendrag

Koding av informasjon i langtidsdeklarativt minne er mulig av dopamin. Denne prosessen avhenger av nyhetssignaler fra hippocampus, men det er fortsatt ukjent hvordan dopaminerge nevroner i hjernen blir modulert av deklarativ-minnebasert informasjon. Vi registrerte individuelle substantia nigra (SN) nevroner og kortikale feltpotensialer hos humane pasienter som utførte en gjenkjennelsesminneoppgave. Vi fant at 25% av SN-neuroner ble modulert av stimulansnyhet. Ekstracellulær bølgeform og anatomisk plassering indikerte at disse minneselektive nevronene var antagelig dopaminerge. Svarene fra minneselektive nevroner dukket opp 527 ms etter stimulusstart, endret etter en enkelt prøve, og var en indikasjon på gjenkjennelsesnøyaktighet. SN-nerveceller faselåst til frontale kortikale theta-frekvensoscillasjoner, og omfanget av denne koordineringen forutslo vellykket hukommelsesdannelse. Disse dataene avslører at dopaminerge nevroner i den menneskelige SN moduleres av minnesignaler og demonstrerer en progresjon av informasjonsflyt i hippocampus-basal ganglier-frontal cortex loop for minnekoding.

Introduksjon

Dannelsen av deklarative minner er avhengig av evnen til hippocampal synapser til raskt å endre styrken gjennom langvarig potensiering og depresjon [1]. Styrken og varigheten av synaptisk plastisitet avhenger av ekstracellulære dopaminnivåer [2, 3], en nevromodulator som frigjøres i hippocampus fra aksonale terminaler som projiserer fra dopaminerge nevroner i substantia nigra (SN) og ventral tegmental area (VTA) [4]. Styrken til deklarative minner fra hippocampal moduleres av dopaminfrigjøring: både omfanget av SN / VTA-aktivering [5, 6] og nivåer av dopamin i hippocampus [2, 7] modulere suksessen med koding. Når dyr blir utsatt for nye miljøer, øker dopaminnivået og letter langsiktig potensiering i hippocampus. Dette forbedrede minnet for nye miljøer går imidlertid tapt når hippocampale dopaminreseptorer blir blokkert [8]. Selv om disse og andre observasjoner antyder en kritisk rolle for dopamin frigitt av SN / VTA-nevroner i deklarativt minne [9, 10, 11], blir de underliggende mekanismene som regulerer denne responsen dårlig forstått.

Studere hvordan SN / VTA dopaminerge nevroner signaliserer belønning og belønning forventningsfeil [12, 13, 14] har avslørt en mekanistisk forståelse av SN / VTAs rolle i klassisk kondisjonering og forsterkningslæring [15]. I tillegg reagerer SN-neuroner hos mennesker også på sjeldne lyder i et odde-ball-paradigme [16] og kode beslutningsresultater [17]. I kontrast til dette er lite kjent om SN / VTAs rolle i erverv av erklærende minner. Selv om SN-dopaminerge nevroner reagerer på nye stimuli under kondisjonering [13, 18, 19, 20], finnes det ingen opptak av SN-neuroner under deklarative minneoppgaver. Det er derfor ukjent om SN-neuroner skiller kjent fra ny stimuli og om slik aktivering er relatert til suksess for koding av minne.

Det er foreslått at det dopaminergiske systemet og hippocampus danner en multisynaptisk sløyfe som starter med et hippocampal nyhetssignal som forbigående begeistrer dopaminergiske nevroner i SN / VTA, som igjen fører til styrking av hippocampal plastisitet gjennom aktivering av hippocampale dopaminreseptorer (Figur 1A) [9, 23]. Selv om den opprinnelige hypotesen angår både SN og VTA, er vårt fokus her bare på SN, og vi begrenser dermed følgende diskusjon til spådommer som er relevante for SN. Vi begrenser heller ikke diskusjonen til dopaminerge SN-nevroner, fordi GABAergiske nevroner på sin side hemmer dopaminerge (DA) nevroner [24], noe som gjør svaret deres like relevant for hypotesen. Hippocampus-SN / VTA-loophypotesen [9, 23] gir tre spesifikke spådommer med hensyn til deklarative minner: For det første spår det at aktiviteten til SN-neuroner er modulert av stimulansnyhet under deklarative minneoppgaver. For det andre spår det at denne modulasjonen vises, i forhold til stimulansutbrudd, først i hippocampus etterfulgt av SN. For det tredje, hvis relevant for deklarativt minne, bør SN-aktivitet under nye stimuli være prediktiv for suksess eller svikt i minnedannelse som vurdert ved senere oppførsel. Her tester vi disse tre spådommene direkte hos mennesker ved å registrere aktiviteten til individuelle SN-neuroner og knytte deres aktivitet til atferdsmessig vurdert minnestyrke.

Våre forsøkspersoner utførte en gjenkjennelsesminneoppgave som vi og andre har beskrevet nyhetssignaliserende nevroner i den menneskelige hippocampus [25]. I hvilken grad disse minneselektive nevronene moduleres av pågående theta-svingninger er prediktive for suksessen eller mislykket minneformasjon [26]. Dopamin antas å være essensielt for å lykkes med minnedannelse i denne oppgaven, og reiser spørsmålet om aktiviteten til SN-nevroner i tillegg blir koordinert ved pågående theta-svingninger. Theta-frekvens og andre lavfrekvente svingninger er kritiske for å koordinere informasjonsflyt mellom kortikale og subkortikale områder [27, 28, 29], inkludert SN / VTA, hippocampus og cortex. Det er imidlertid ukjent om koordinering av nevral aktivitet mellom SN-neuroner og cortex også spiller en rolle i deklarativt minne-dannelse. Her registrerte vi samtidig aktiviteten til SN-neuroner sammen med kortikale feltpotensialer over frontalben for å vurdere om aktiviteten til SN-neuroner er koordinert med kortikal aktivitet og om slik koordinering er forutsigbar for suksessen med minnedannelse.

Resultater

Oppgave og atferd

23 fag (28 økter; se Tabell S1) gjennomgått implantasjon av en DBS-enhet (Deep-stimulation) i den subthalamiske kjernen (STN) for behandling av enten Parkinsons sykdom (PD) eller essensiell tremor utførte en kontinuerlig gjenkjennelsesminneoppgave. To innspillingsøkter ble ekskludert fordi forsøkspersoner ble utført på sjansenivå, og tre økter ble ekskludert fordi innspillinger ble gjort utenfor SN (se Tall 1D og 1E). Dermed gjensto 23 økter for analyse.

Forsøkspersonene ble bedt om å se en sekvens med bilder og identifisere hvert bilde som nytt eller kjent (Figur 1B). Motivene trykket på enten “ny” eller “gammel” -knappen for å gi svarene (knappidentiteten ble omvendt midt i eksperimentet). Hvert bilde ble presentert opptil tre ganger. Den første presentasjonen blir referert til som “roman” og de resterende to presentasjonene som “kjent”. Motivene presterte bra, med en gjennomsnittlig gjenkjennelsesnøyaktighet på 82% (± 8%, ± SD; Figur 1C). Fag fortsatte å lære som demonstrert av en signifikant økning i ytelsen under den andre kjente presentasjonen (87% ± 13%) sammenlignet med den første (74% ± 12%, t [22] = 5.62, p = 0.0005, permutasjon parret t test). Bare riktige studier ble brukt til analyse med mindre annet er oppgitt. Mediantiden mellom spørreskjermbildet og knappetrykk var 0.69 ± 0.99 s, uten signifikant forskjell i reaksjonstid mellom roman (1.12 ± 1.06 s) og kjente svar (1.05 ± 0.90 s, t [22] = 1.17, p = 0.26, permutasjon parret t-test). Bildene vi brukte tilhørte hver av en av tre forskjellige visuelle kategorier (dyr, landskap og frukt). Det var ingen signifikante forskjeller i reaksjonstid som en funksjon av visuell kategori (enveis permutasjon ANOVA: F [2,44] = 2, p = 0.13). Til sammen viser disse atferdsdataene at pasienter utførte oppgaven nøyaktig. Preoperativ nevropsykologisk evalueringstesting var i samsvar med denne observasjonen (se Tabell S1).

elektro~~POS=TRUNC

Vi identifiserte 66 velisolerte formodede enkle nevroner registrert fra SN. Tall 1D og 1E viser plasseringene til alle innspillingssteder i Talairach-rommet som bestemt av stereotaktiske koordinater (se også STAR Metoder og Tallene S2E og S2F). Nevroner ble godt isolert som vurdert kvantitativt ved bruk av piggesorteringskvalitetsmålingerFigur S1). Gjennom manuskriptet bruker vi begrepene nevron, enhet og celle om hverandre for å referere til et antatt enkelt nevron. Fra hver mikroelektrode registrerte vi også feltpotensialer ved hjelp av elektrodekontakten med lav impedans som ligger 3 mm over mikroelektrodespissen (Figur S2EN). I tillegg registrerte vi kortikale overflate (elektrokortikografi [ECoG]) -signaler ved bruk av en subdural stripelektrode plassert langs den dorsale fronto-parietale hjerneoverflaten, som strekker seg anterior og posterior til den sentrale sulcus (Tallene S2B-S2D). Vi lokaliserte plasseringen av ECoG-elektroder og deres relaterte kortikale områder ved å bruke en kombinasjon av intraoperativ avbildning og median nervestimulering (se STAR Metoder og Tallene S2C og S2D). Medianplassering av alle ECoG-opptak vises i Figur 1F.

SN Neurons svarer på Visual Stimuli

Vi testet først om nevroner endret skytefrekvensen sin som respons på begynnelsen av bildet når vi vurderte alle forsøkene sammen, uavhengig av nyhet / kjenthet (se STAR Metoder). Vi fant at 14/66 (21.2%, p = 0.002, sammenlignet med nullfordeling; Figur 2A) av nevroner endret avfyringshastigheten som svar på bildedebut (sammenligner pigger i et vindu 0–1.5 s etter stimulusdebut med et vindu –0.5–0 s før stimulusdebut). Av disse "bildesensitive" nevronene økte fem skytefrekvensen i forhold til baseline (eksempel på nevroner vist i Figur 2C) og 9 reduserte skytefrekvensen deres (eksempelvis nevron vist i Figur 2D). Nevronene som økte skytefrekvensen reagerte signifikant raskere enn de som reduserte skytefrekvensen (224.8 ± 138.5 ms mot 426 ± 141.9 ms, t [12] = 2.58, p = 0.03, permuert t-test; se Figur 2B).

I mange menneskelige hjerneområder skiller nevroner mellom visuelle kategorier [30]. Vi spurte derfor om svaret fra SN-neuroner skiller mellom de tre forskjellige visuelle kategoriene (dyr, landskap og frukt) av bildene. Vi fant ikke bevis for SN-kategorieneuroner: en enveis permutasjon ANOVA avslørte ikke et signifikant antall nevroner innstilt på visuell kategori (N = 6, 9.1%, p = 0.16; Figur 2EN). I motsetning til den mediale temporale lobe (MTL) [30], fant vi ikke et visuelt kategorisignal i SN.

SN Neurons skiller mellom roman og kjent Stimuli

Vi testet deretter om SN-neuroner signaliserte at en stimulans er ny (vist første gang) eller kjent (vist andre eller tredje gang). Her refererer vi til slike nevroner som minne-selektive (MS) nevroner [25]. Vi testet om responsen fra SN-neuroner viste dette mønsteret ved å sammenligne responsene fra nevroner etter stimulusdebut mellom nye og kjente studier. Vi fokuserte først på undergruppen som hadde større skuddfrekvens for roman relativt til kjente stimuli (se STAR Metoder). Vi identifiserte 11 slike nevroner (Tall 3A – 3C; 16.6%, p = 0.002, sammenlignet med nullfordeling; se også Figur S3EN). Vi refererer til denne undergruppen av MS-nevroner som "nyhet" -neuroner. Denne forskjellen i respons mellom nye og kjente stimuli var allerede tydelig da bildet ble sett for andre gang (Figur 3D, midt). Responsen forble, men styrket seg ikke ytterligere når man sammenlignet den andre og tredje presentasjonen av det samme bildet (t [10] = 1.36, p = 0.21, permuert paret t-test; se Figur 3D, til høyre). I tillegg var forskjellen i respons mellom nye og kjente stimuli ikke avhengig av forsinkelsen mellom to påfølgende presentasjoner av det samme bildet (F [3,30] = 0.22, p = 0.88, enveis permutasjon ANOVA; se Figur 3E).

Vi testet deretter om andre SN-neuroner øker skytefrekvensen som svar på kjente bilder. Vi fant at 6 nevroner (9%, p = 0.01, sammenlignet med nullfordeling; se også Figur S3B) viste en betydelig økning for kjente sammenlignet med nye bilder. I likhet med nyhetsneuroner endret ikke responsen fra slike "kjennskap" -neuroner seg ytterligere mellom den andre og tredje presentasjonen av det samme bildet (t [5] = 0.7, p = 0.06; Figur 3D) og ble ikke modulert av lengden på forsinkelsen mellom påfølgende presentasjoner av det samme bildet (F [3,15] = 2.12, p = 0.14; Figur 3E). Til sammen demonstrerte disse dataene at skytefrekvensen for en betydelig andel av SN-nevroner (16.6% og 9.0%; Figur 3A) ble modulert av nyhet eller kjennskap til bilder i en erklærende minneoppgave. Det er viktig at denne endringen i responsen var synlig etter en enkelt læringsforsøk (Figur 3D) for både nyhets- og fortrolighetsnevroner.

Vi refererer til 17 nyhets- og fortrolighetsnevroner sammen som MS-nevroner (Figur 3EN). 4 MS-nevroner kvalifiserte seg også som image-responsive nevroner (dvs. de viste en endring i skytefrekvensen for alle studier som ble vurdert sammen; se Figur 2). Årsaken til denne lille overlappingen er fraværet av et svar på den ikke-foretrukne stimuluskategorien. For å vise dette, sammenlignet vi skytefrekvensen til bare de nye eller kjente forsøkene (avhengig av hvilken type prøve nevronen var følsom for) med grunnlinjen. Dette avslørte at MS-celler hadde en signifikant høyere avfyringshastighet under bildepresentasjon (0–1.5 s, 7.23 ± 17.9 Hz) sammenlignet med baseline (−0.5–0 s, 6.2 ± 20.9 Hz, t [16] = 1.38, p = 0.042 , permuert sammenkoblet t-test), men bare for deres foretrukne type prøveversjon (ny eller kjent; merk at dette ikke er ved valg fordi baseline-avfyringshastigheten ikke blir vurdert når du velger MS-neuroner).

Vi utførte ytterligere kontrollanalyser for å bekrefte at dette minnesignalet ikke skyldtes andre faktorer, for eksempel elektrodedrift eller langsomme skytingsfrekvensendringer. Først bekreftet vi at det ikke eksisterte noen lignende forskjell i løpet av grunnleggende periode: Verken MS-nevroner av nyhet eller kjent-type viste en slik forskjell (Figur 3D, venstre; ikke signifikant forskjellig mot 0 for nyhetsnerveceller [t [10] = 0.07, p = 0.94] og fortrolighetsnerveceller [t [5] = 0.58; p = 0.54]). Vi testet også hvor mange MS-neuroner som ville bli valgt hvis vi brukte basislinjeperioden (-0.5–0 s) i stedet for perioden etter stimulus for valg. Denne analysen avslørte bare 1 (1.5%) av 66 enheter med en signifikant forskjell mellom nye og kjente bilder. Til slutt brukte vi en blandet effekt regresjonsmodell for å identifisere faktorer som forklarer avvik i skytefrekvensen til MS-neuroner. Som prediktorer brukte vi bildekjennskap og prøvenummer (pluss nevronkluster-ID ble brukt som en tilfeldig effekt). Denne analysen avdekket at bildefamilieregressoren var signifikant selv etter å ha tatt hensyn til effekten av forsøksnummer og var mye sterkere enn forsøksnummerregressoren for begge MS-neurontypene (nyhetsneuroner: t [864] = 8.95, p <1e − 30 for ny / gammel regressor versus t [864] = 1.67; p = 0.09 for forsøksnummer regressor; fortrolighetsnerveceller: t [501] = 7.24, p <1e − 12 for ny / gammel regressor versus t [501] = 3.67, p = 0.0002 for prøve nummer regressor). Til slutt, merk at vi tilfeldig blandet roman og kjente stimuli gjennom hele eksperimentet. Sammen bekrefter disse kontrollanalysene at forskjellen i respons ikke kan tilskrives elektrodedrift.

SN MS Neurons forutsi atferd

Vi undersøkte deretter om responsen fra MS-neuroner (testet separat for nyhets- og fortrolighets-foretrukne nevroner) var relatert til hukommelse ved å vurdere om deres respons varierte med oppførselen til pasienten. Spesielt sammenlignet vi de nevrale responsene til kjente stimuli (de som har blitt vist minst en gang før) som pasientene husket riktig (respons "gammel") med de de feilaktig glemte (respons "nye"). Atferdsmessig viste pasienter god ytelse: de husket (sann positiv rate) 74% av bildene under den første repetisjonen ("kjent 1") og 87% etter den andre repetisjonen ("kjent 2"). Vi fant at responsen fra nyhetsceller ble betydelig dempet under forsøk der kjente bilder feilaktig ble vurdert som nye sammenlignet med når de ble korrekt vurdert som kjent, med en skytefrekvensforskjell på 0.36 ± 0.36 Hz for feil og 0.60 ± 0.24 Hz for riktige forsøk (se Figur 3F; t [11] = 2.72, p = 0.02, permuert paret t-test; beregningen som ble brukt var forskjellen i avfyringshastighet mellom når et bilde var nytt og kjent normalisert av utgangspunktet for avfyringsfrekvens). For denne sammenligningen ekskluderte vi studier der den innledende romanpresentasjonen var feil (en falsk positiv), så den observerte forskjellen kunne bare tilskrives glemte bilder (falske negativer). Selv om det var mindre, var responsen på glemte kjente stimuli fortsatt betydelig forskjellig fra null (Figur 3F; t [11] = 3.98, p = 0.002, permuert t-test). Sammen viser denne analysen at responsen fra nyhetsneuroner var en indikasjon på om en kjent stimulus ville bli husket eller glemt. For nevroner som øker skytefrekvensen (n = 6) til kjente bilder, var denne oppførsel-neuronale aktivitetskorrelasjonen kvantitativt lik, men ikke signifikant (Figur 3F; t [5] = 2.31, p = 0.056).

Latency of Response

Hvor raskt etter stimulusstart differensierte responsen fra MS SN-nevroner mellom nye og kjente bilder? For å svare på dette spørsmålet estimerte vi det første tidspunktet der svarene skilte seg mellom nye og kjente bilder. Vi sammenlignet den kumulative summen av piggtogene, en metode som gir et estimat av differensialtidsforsinkelsen til et nevron med høy presisjon [31]. Vi fant ut at den gjennomsnittlige differensialforsinkelsen var 527 ms etter at bildet startet (Figur 3G). Vi sammenlignet denne ventetiden med latensen til MS-neuroner (n = 122) som ble kodet i MTL under en lignende ny / gammel gjenkjenningsoppgave i en annen pasientpopulasjon [32, 33]. MS-neuroner i MTL hadde en gjennomsnittlig differensiell latens på 311 ms, som var signifikant raskere sammenlignet med SN (p = 0.013, estimert basert på en empirisk estimert nullfordeling for hvilke områdemerker som ble tilfeldig tildelt). Dette resultatet var også sant når man vurderer MS-neuroner som økte skytehastigheten deres til nyhet og kjente stimuli hver for seg (p = 0.002 og p = 0.002, henholdsvis nevroner, sammenlignet med n = 64 nyhet og n = 58 fortrolighetsnevroner i MTL). Denne rekkefølgen av svar er kompatibel med Lisman and Grace-modellen for samspillet mellom hippocampus og VTA / SN [9].

Celletype analyse

SN inneholder to hovedtyper av nevroner: inhiberende GABAergiske nevroner og dopaminerge nevroner som projiserer til fjerne mål, inkludert striatum, amygdala og hippocampus [4, 34, 35, 36]. Ved bruk av ekstracellulære opptak kan forskjellige celletyper ofte skilles ut fra en kombinasjon av bredden på den ekstracellulære piggbølgeformen og gjennomsnittlig skytefrekvens [37]. Spesielt i SN er det kjent at dopaminergiske nevroner har bredere bølgeformer og lavere skytefrekvens sammenlignet med GABAergiske nevroner [38, 39], som resulterer i en bimodal fordeling av bølgeformbredden over alle nevroner. Vi fant at fordeling av piggbredder over alle registrerte nevroner (N = 66) var bimodal (Hartigans dip-statistikk: 0.0717, p = 0.006 [40]; se Tall 3H og 3I). Vi undersøkte deretter neste om MS-neuroner fortrinnsvis var av en bestemt celletype. Vi fant at MS-neuroner i gjennomsnitt var preget av lengre bølgeformer sammenlignet med ikke-MS-neuroner (1.15 ± 0.23 ms kontra 0.96 ± 0.32 ms; bølgeformlengden ble målt som tiden som gikk mellom de to positive toppene [14] av bølgeformen; t [65] = 2.65, p = 0.012, permutasjon t-test; Tall 3H og 3I). I tillegg tilfredsstilte MS-nevroner kriteriene for DA-nevroner etablert av tidligere arbeid: 15/17 MS-nevroner hadde bølgeformer lenger enn 0.8 ms og avfyringshastigheter lavere enn 15 Hz [14, 41]. Vi fant også at opptaksstedene der MS-neuroner ble identifisert hovedsakelig befant seg i ryggdelene av SN (Tall 1D og 1E). Disse resultatene stemmer overens med plasseringen av pars compacta, der flertallet av dopaminerge nevroner befinner seg [42, 43]. Sammen støtter disse analysene synspunktet om at MS-nevronene vi identifiserte, var antagelig dopaminerge.

SN-Cortex interaksjoner

Var aktiviteten til SN-neuroner relatert til feltpotensiell aktivitet registrert fra basalganglier og / eller den kortikale overflaten? Vi kvantifiserte interaksjoner mellom piggfelt ved å bruke spike field koherence (SFC) som en beregning for å svare på dette spørsmålet. For det første var SFC mellom SN-neuroner og feltpotensialene registrert i basalgangliene (STN) betydelig over sjansen i teta-frekvensbåndet (Figur 4A, venstre panel; signifikant ved p <0.05 i 2-5 Hz over alle N = 56 nevroner med nok pigger). Merk at her ble feltpotensialet mest sannsynlig registrert fra STN og ikke SN på grunn av plasseringen av opptakskontakten 3 mm over mikroelektrodespissen (se STAR Metoder og Figur S2EN). For det andre ble SN-neuronaktivitet også koordinert med kortikale feltpotensialer: SN-neuroner hadde en preferanse for å skyte mer i visse faser av theta- og alfa-frekvensbåndet til ECoG-signaler registrert fra den kortikale overflaten (SFC var signifikant forskjellig i 6-12 Hz frekvensbånd, N = 61, p <0.05; Figur 4A, høyre panel; se legende for statistikk; se også Figur S4 for alle elektroder). Dette gjaldt bare for ett par ECoG-kontakter plassert foran den sentrale sulcus (merket som +2; andre kontakter var ikke signifikante; se Figur S4). +2 ECoG-kontaktene var lokalisert på den overlegne frontgyrus i Brodmann-område 6 (premotorisk cortex). Dette funnet indikerer at SN-neuronal aktivitet er funksjonelt forbundet med denne regionen av frontallappen (se Diskusjon). Vi testet deretter om denne funksjonelle forbindelsen var atferdsrelevant ved å sammenligne styrken mellom romanforsøk som senere ble husket med nye studier som senere ble glemt.

Basert på tidligere forsknings- og modellprognoser [26], antydet vi at omfanget av piggfeltets koherens under koding av nye bilder forutsier om fag ville lykkes med å kode et nytt minne eller ikke. For å teste denne hypotesen, sammenlignet vi SFC under visning av nye bilder mellom forsøk som senere ble husket riktig mot forsøk som senere ble glemt (dvs. identifisert som roman). Denne sammenligningen på grunn av hukommelsen viste at bilder som senere ble husket ble ledsaget av høyere SFC i theta-frekvensområdet for ECoGs målt foran til sentral sulcus under koding (N = 58 nevroner, 3-9 Hz, p <0.05; Figur 4B, høyre panel; se forklaringen for statistikk). Vær oppmerksom på at denne beregningen bare inkluderer forsøk der bildet ble sett for første gang (roman) og som motivet ble riktig merket som "nytt". Derfor var responsen alltid den samme (“ny”), unntatt muligheten for at denne forskjellen skyldtes forskjeller i motorplanlegging. I likhet med SFC med tanke på alle forsøk, var denne forskjellen bare signifikant for feltpotensialer registrert fra den fremre +2-kontakten lokalisert på premotorisk cortex (sentral sulcus +2; Figur 4B; Tall 4C og 4D viser et eksempel på neurons SFC og pigg utløste gjennomsnitt). Vi observerte ikke et lignende forhold til feltpotensielle opptak fra basalganglier (STN; Figur 4B, venstre panel; alle p> 0.05). Som kontroll sammenlignet vi også ECoG-kraft mellom de to forholdene, men fant ingen signifikante forskjeller (Figur 4E; alle p> 0.05). Sammen viser dette at omfanget av SFC med lang rekkevidde mellom SN-neuronal aktivitet og frontal kortikal feltpotensiell aktivitet registrert fra premotorisk cortex var prediktiv for vellykket minnedannelse.

Hvordan kunne denne langdistanse topp / feltkoordinering oppnås? For å svare på dette spørsmålet, utførte vi deretter en fase-koherensanalyse mellom feltpotensielle opptak i basalganglier (STN) og ECoG-opptak fra cortex oppnådd mens pasientene så på de nye bildene (0-1.5 s i forhold til stimulusutbruddet; se STAR Metoder). Denne analysen viste at vellykket koding av nye minner var assosiert med betydelig høyere fasekoherens i teta-frekvensområdet (5-10 Hz; Figur 4F; p <0.05; se forklaringen for statistikk). I likhet med SFC-funn var denne effekten bare observerbar på den sentrale sulcus +2-elektroden (Figur 4G). Effekten av ECoG-signalene registrert fra den sentrale sulcus +2-elektroden viste en fremtredende reduksjon av betabåndseffekten som startet omtrent 500 ms etter stimulusstart, noe som mest sannsynlig var relatert til bevegelsesforberedelse (Figur 4H). Denne beta-reduksjonen ble ført av en økning i teta-frekvenseffekten (Figur 4H), som startet kort tid etter stimulusens begynnelse. Dette mønsteret viser at prosessering av et bilde øker kraften til theta-svingninger i frontal cortex, som gir en potensiell mekanisme som SN-neuroner kan modulere graden av koordinasjon mellom deres aktivitet og frontal cortical theta. Her viser vi at omfanget av slik faselåsing er prediktiv for suksess for minnekoding, noe som antyder at svingninger i theta-frekvensområdet koordinerer informasjonsoverføring mellom områder under minnekoding.

Diskusjon

Vi fant at aktiviteten til individuelle nevroner i den menneskelige substantia nigra skiller mellom nye og kjente bilder i en hippocampal-avhengig erklærende minneoppgave. I tillegg fant vi at graden av koordinering av aktiviteten til SN-nevroner med frontal teta-frekvenssvingninger var forutsigbar for vellykket minnedannelse. Selv om tidligere arbeid viser at menneskelige SN-neuroner reagerer på belønning av prediksjonsfeil [14] og sjeldne lyder i et odde-ball-paradigme [16], er våre data, så vidt vi vet, den første studien som beskriver SN-neuronal aktivitet under deklarativ hukommelsesdannelse hos mennesker.

De elektrofysiologiske egenskapene til de hukommelsesselektive cellene vi beskriver indikerer at disse cellene mest sannsynlig er dopaminerg. Denne konklusjonen hviler på to datadeler: bredden på deres bølgeformer og anatomiske beliggenhet. Dopaminergiske nevroner har betydelig bredere ekstracellulære bølgeformer sammenlignet med de GABAergiske nevronene som også ligger i SN [38, 39, 44]. Selv om dopaminerge nevroner eksisterer i hele SN, er majoriteten lokalisert i pars compacta-underregionen til SN [42, 43]. De fleste dopaminergiske nevroner bør derfor være lokalisert i den ryggmediale delen av SN, som er området der vi fant flertallet av MS-nevroner. Sammen har disse kriteriene vist seg å pålitelig skille dopaminerge og GABAergiske nevroner i SN basert på elektrofysiologiske trekk alene [38, 39, 44, 45, 46]. En definitiv bekreftelse på denne påstanden vil kreve enten histologisk analyse [47] eller genetisk målretting [38]. Her omtaler vi disse nevronene som formodende dopaminerg for å indikere at denne konklusjonen hviler på ekstracellulære opptak alene.

En annen vurdering er effekten av pågående nevrodegenerasjon på resultatene våre. Flertallet av fagene i studien hadde PD og led derfor av et betydelig tap av dopaminerge celler i SN. Opptakene våre fikk imidlertid tilgang til et anatomisk område der en tilstrekkelig populasjon av dopaminerge nevroner fremdeles er funksjonell selv i PD. Dopaminergtap i PD utvikler seg ujevnt [48, 49], rettet mot noen områder mer alvorlig enn andre. Post mortem-vevsanalyser hos PD-pasienter viser typisk høyt tap av dopaminerge nevroner i den caudale delen av SN, med omtrent 90% av cellene som går tapt. I motsetning til dette er celletap i mer ryggområder mer moderat (50% eller mindre) i en grad som kan sammenlignes med hva som kan observeres ved normal aldring [49]. Faktisk har flere studier lyktes i å registrere fra formodede dopaminergiske nevroner hos pasienter med PD som gjennomgikk STN DBS-kirurgi [14, 41]. Med det kirurgiske målet i STN er det rimelig å forvente at SN-opptak hovedsakelig vil lokaliseres i ryggområdet til SN. Denne antagelsen ble bekreftet av analysen av elektrodeposisjonene våre, som viste de fleste opptakene som ligger i ryggdelen av SN, hvor sykdomspåvirkning forventes å være relativt liten [49]. Det er imidlertid ukjent om PD kunne ha påvirket bølgeformene til de resterende DA-nevronene som vi registrerte. Selv om vi ikke oppdaget en sammenheng med alvorlighetsgraden av sykdommen med bølgeformens varighet (se STAR Metoder), forblir dette problemet et åpent spørsmål. Til slutt var pasientene som ble registrert i vår studie på betydelig tidligere PD-stadier enn de som er inkludert i post mortem-analyse [48, 49], og bevarer derfor en høyere tetthet av dopaminerge celler i ryggområdene til SN.

Det har blitt foreslått at rollen som dopaminerg modulering av hippocampal-hukommelsesprosesser er å forbedre synaptisk plastisitet for viktige hendelser, slik som de som er givende, justert med et motivets mål, eller som tiltrekker oppmerksomhet [9, 23]. Den foreslåtte banen for dette signalet for å nå SN / VTA er gjennom afferenter fra nucleus accumbens (NA) og pedunculopontine tegmental nucleus (PPTg), som begge er strukturer involvert i å formidle motivasjons- og oppmerksomhetsprosesser [50, 51]. Både NA og PPTg får på sin side innspill fra prefrontal cortex (PFC) og hippocampus, slik at de kan integrere signaler om nåværende mål og stimulansnyhet [23, 50, 51]. Det er blitt antatt at nyhetssignaler fra hippocampus forårsaker dopaminfrigjøring i hippocampus gjennom denne multisynaptiske banen [9, 23]. Her identifiserte vi antatte dopaminerge nevroner i SN som er kompatible med denne hypotesen fordi de reagerer med en økning i avfyringshastighet på nye stimuli. Interessant nok identifiserte vi, i tillegg til nyhetsneuroner, også en mindre gruppe antatte dopaminerge nevroner som svarte med en økning i skytefrekvensen på kjente stimuli. Responsegenskapene til denne gruppen av nevroner var ellers lik nyhetsnervene (Tall 3D, 3E og 3H), med unntak av at de ikke var signifikante indikasjoner på om en kjent stimulus ville bli husket eller glemt (men merk at dette mest sannsynlig skyldes mangel på statistisk kraft). Selv om nevronene ikke direkte forutsies av den teoretiske modellen til Lisman og Grace, er det sannsynlig at de også spiller en rolle i læringen. For eksempel kan forskjellige konsentrasjoner av DA føre til enten synaptisk depresjon eller potensiering [52] og nivåer av DA kan kontrollere terskel for potensiell potensiering (LTP) / langvarig depresjon (LTD) [53]. Dette antyder at nevroner som øker nivået av DA for kjente stimuli kan delta i å opprettholde denne homeostasen. I tillegg har forskjellige typer dopaminreseptorer forskjellige følsomheter og aktiveringsterskler og formidler forskjellige aspekter av plastisitet, inkludert koding versus konsolidering av minner [54, 55]. Til sammen støtter denne litteraturen kombinert med vårt funn hypotesen om at kjennelsesnevroner har en rolle i plastisitetsmekanismene som tjener til å styrke allerede kodede minner. Framtidig arbeid er nødvendig for å direkte teste denne hypotesen.

Latensen til SN-responsene var også kompatibel med Lisman og Grace-modellen, nemlig at SN MS-responsene kom betydelig senere sammenlignet med de som ble observert i MTL [33]. Her fant vi at SN-responser først var synlige 527 ms etter stimulusstart, en tid som var større enn 311 ms-intervallet observert i MTL [32]. Et varsel for denne sammenligningen er at det ble avledet fra to forskjellige pasientpopulasjoner (henholdsvis PD og epilepsi). Sammen støtter resultatene våre ideen om at informasjonen om stimulansnyhet observert i SN stammer fra MTL. Viktigere var omfanget av moduleringen av SN-celler indikasjon på om et individ riktig ville kjenne igjen en kjent stimulans. Dette resultatet indikerer at responsen fra SN-celler var atferdsrelevant for den deklarative minneoppgaven som individene våre utførte. Dette funnet er også i tråd med humane studier som viser at SN fMRI-blod-oksygennivåavhengig (BOLD) aktivitet forutsier vellykket minnedannelse [5, 6]. Det er imidlertid ukjent hva forholdet er mellom aktiviteten til forskjellige celletyper i SN og BOLD-signalet (men se [56]). I kontrast her identifiserte vi spesifikke SN-celletyper elektrofysiologisk og viste at det er den fasiske aktiviteten til antatte DA-nevroner kort tid etter stimulusdebut som er prediktiv for minnedannelse.

Vi observerte at aktiviteten til SN-neuroner systematisk var relatert til fasen med pågående teta-svingninger i frontal cortex (målt over premotor cortex). Denne koordineringen var atferdsrelevant fordi omfanget av faselåsing var forutsi suksess for minnedannelse. Oscillasjoner i teta-frekvensområdet antas å koordinere informasjonsflyt mellom MTL, basalganglier og frontal cortex [27, 28, 29]. Her viser vi nå at hos mennesker er SN-nevronal avskytning relatert til kortikale teta-frekvenssvingninger og at slik koordinering er atferdsrelevant for minnedannelse. Betydningen av theta-synkroni mellom basalganglier og frontal cortex er blitt fastslått ved tidligere registreringer av humane pasienter som utførte kognitive oppgaver [57, 58]. Interessant, langsom 4 Hz stimulering av STN forbedrer ytelsen i kognitive oppgaver [58]. Et ukjent spørsmål om nøkkelen er om teta-svingningene vi kvantifiserte er relatert til eller synkronisert med hippocampal theta [27, 28, 29].

Antidromisk stimulering av STN fremkaller korte latensresponser i premotor cortex, som er kompatibel med en "hyperdirect" -vei hos mennesker [59]. Det er således minst tre stier som informasjon fra MTL kan nå SN: (1) via NA og PPTg; (2) via hyperdirect-ruten; og (3) gjennom striatum, som er sammenkoblet med det meste av frontal cortex [60]. Denne rike innervasjonen gir sannsynligvis opphav til funksjonell avhengighet av SN og frontal cortex som observert ved bruk av BOLD-fMRI [61, 62]. FETT aktivitet i frontal cortex spår også vellykket koding av nye minner [63], et signal som antas å være en refleksjon av rollen til frontal cortex (inkludert premotoriske områder) i å lette kodingen av målrelevant informasjon og i organisering av flere informasjonsstykker i et individuelt minne [63]. Her viser vi nå en mulig mekanisme der slik informasjon kan påvirke styrken til minnekoding ved å modulere dopaminerg SN-aktivitet. Et viktig fremtidig eksperiment vil være å avgjøre om SN-neuronal aktivitet også er koordinert med hippocampus theta-svingninger og hvordan disse theta-svingningene forholder seg til frontale kortikale theta-svingninger målt her.

Erkjennelsene

Vi erkjenner takknemlig pasientenes vilje til å delta i denne studien. Vi takker staben på operasjonsrommet i Cedars-Sinai for deres assistanse, Robert Zelaya og Lori Scheinost for teknisk støtte for nevrofysiologi, og Jeffrey Wertheimer for nevropsykologisk evaluering av pasienter. Vi takker Ralph Adolphs og alle medlemmer av Rutishauser Laboratory for diskusjonen. Denne studien ble muliggjort av frøfinansiering fra Pfeiffer Foundation og ble senere også støttet av NIH NINDS (U01NS098961), en NSF CAREER Award (BCS-1554105) og McKnight Endowment Fund for Neuroscience (alt til UR).

Forfatterbidrag

UR og JK designet eksperimentet. JK, UR, KB og CPM utførte eksperimenter. JK og UR utførte analyse. ANM og KB utførte kirurgi. MT ga pasientbehandling. JK, ANM og UR skrev avisen. Alle forfatterne diskuterte resultatene i alle faser av prosjektet.

Interesseerklæring

Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.

Supplerende informasjon

Dokument S1. Figurene S1 – S4 og tabell S1