Receptor dopaminy D1 moduluje plastyczność reprezentacji hipokampu do przestrzennej nowości (2008)

J Neurosci. 2008 Dec 10; 28 (50):13390-400. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2680-08.2008.

Tran AH1, Uwano T, Kimura T., Hori E, Katsuki M, Nishijo H, O nie.

Abstrakcyjny

Ludzki hipokamp jest krytyczny dla uczenia się i pamięci. U gryzoni neurony piramidalne hipokampa strzelają w sposób specyficzny dla miejsca, tworząc relacyjne reprezentacje sygnałów środowiskowych. Wykazano znaczenie układów glutaminergicznych w uczeniu się i neuronalnej plastyczności synaptycznej hipokampa. Jednak rola układów dopaminergicznych w odpowiedzi plastyczności neuronów hipokampa na nowe i znane bodźce przestrzenne pozostaje niejasna. Aby wyjaśnić tę ważną kwestię, zarejestrowaliśmy neurony hipokampa z myszy z knock-outem receptora dopaminy D (1) (D1R-KO) i ich rodzeństwa typu dzikiego (WT) z miotu pod wpływem odmiennych wskazówek przestrzennych w znanym i nowatorskim środowisku. Poniżej podajemy, że u myszy WT większość komórek miejsca szybko reagowała na manipulacje dystalnymi i proksymalnymi wskazówkami zarówno w znanych, jak i nowatorskich środowiskach. Natomiast wpływ dystalnych wskazówek na strzelanie przestrzenne u myszy D1R-KO został zniesiony. W myszach D1R-KO wpływ proksymalnych sygnałów był ułatwiony w znanym środowisku, aw nowatorskim środowisku większość komórek miejsca była mniej skłonna do reagowania na zmiany wskazówek przestrzennych. Nasze wyniki pokazują, że neurony hipokampa u myszy mogą szybko i elastycznie kodować informacje o przestrzeni zarówno od strony dystalnej, jak i proksymalnej, aby zaszyfrować nowe środowisko. Ta zdolność jest niezbędna dla wielu rodzajów uczenia się, a brak D1R może radykalnie zmienić tę neuronalną aktywność związaną z nauką. Proponujemy, że D1R ma zasadnicze znaczenie w kodowaniu informacji przestrzennej w nowych środowiskach i wpływa na plastyczność reprezentacji hipokampa, co jest ważne w uczeniu się przestrzennym i pamięci.

Wprowadzenie

Tworzenie się hipokampa (HF) u ludzi i innych naczelnych ma kluczowe znaczenie dla pamięci epizodycznej (Maguire i in., 1998; Eichenbaum i in., 1999; Rolls, 2005; Rolls and Xiang, 2005). Uszkodzenia lub manipulacje HF u gryzoni powodują przestrzenne deficyty uczenia się (Gasbarri i in., 1996; Whishaw i in., 1997; Wilkerson i Levin, 1999), a nagrania neuronów hipokampa u gryzoni ujawniły, że strzelają w sposób specyficzny dla lokalizacji (O'Keefe i Dostrovsky, 1971; Wilson i McNaughton, 1993; O'Keefe i Burgess, 1996) w połączeniu z sygnałami zewnętrznymi i wewnętrznymi (Muller i Kubie, 1987; Wiener i in., 1989; Gothard i in., 1996; Hetherington i Shapiro, 1997; Shapiro i in., 1997; Knierim i in., 1998; Zinyuk i in., 2000; Lever i in., 2002; Leutgeb i in., 2005a,b) lub informacje kontekstowe (Gill i Mizumori, 2006), wskazując na rolę w pamięci przestrzennej (Wilson i McNaughton, 1993; Leutgeb i in., 2005). Ponadto HF wydaje się zapewniać neuronową reprezentację przestrzeni fizycznej, chociaż sugerowano również szersze funkcje (Maguire i in., 1998; Eichenbaum i in., 1999). Uważa się, że reprezentacja przestrzeni w przestrzeni jest podstawą pewnych form uczenia się przestrzennego (McHugh i in., 1996, 2007; Cho i in., 1998; Kentros i in., 1998; Eichenbaum i in., 1999; Rotenberg i in., 2000; Dragoi i in., 2003). Stwierdzono, że dopamina D1 myszy z knock-outem receptora (D1R-KO) upośledzały uczenie się przestrzenne i zmieniały aktywność przestrzenną jądra półleżącego (El-Ghundi i in., 1999, Tran i in., 2005). Ponieważ dopamina moduluje plastyczność synaptyczną hipokampa (Otmakhova i Lisman, 1996; Matthies i in., 1997; Swanson-Park i in., 1999; Li i wsp., 2003) zakłada się, że nabycie reprezentacji przestrzennych w hipokampie jest upośledzone u myszy D1R-KO. W niniejszym badaniu przetestowano tę hipotezę, porównując aktywność komórek miejscowych u myszy D1R-KO i myszy typu dzikiego (WT) w odpowiedzi na manipulacje przestrzennymi wskazówkami w znanych i nowatorskich środowiskach.

Materiały i Metody

Zwierząt.

Dziesięć samców myszy WT (26-33 g) i samców myszy D7R-KO 1 (24-29 g) zastosowano w niniejszym eksperymencie rejestracji neuronów. Myszy reprodukowano w laboratorium współpracy (National Institute for Basic Biology, National Institutes of Natural Sciences).

Generowanie myszy D1R-KO.

Mysia dopamina D1 gen receptora wyizolowano z biblioteki genomowego DNA myszy 129 / Sv (Stratagene) przez hybrydyzację z produktem PCR 884 bp, którego pary starterów to 5′-TCC AAG GTG ACC AAC TTC TTT GT-3 ′ i 5′-CTA TAG CAT CCT AAG AGG GT CGA-3 ′. Wektor nakierowujący skonstruowano tak, aby usunąć całą sekwencję kodującą przy użyciu następujących fragmentów DNA: promotor 1.2 kb MC1-gen toksyny błonicy-A (DT-A) do selekcji negatywnej, 2.8 kb BglI-AvrFragment II zawierający górny region mysiego genu D1R, promotor PGN 2.3 kb-Escherichia coli gen transferazy fosforybozylowej ksantyny-guaniny (gpt), gen promotora-neomycyny 1.1 kb MC1 (neo), 6.5 kb AvrII-BamFragment HI zawierający region nieulegający translacji 3′ i region flankujący oraz plazmid pBluescript (Rys. 1A). Hodowane komórki E14TG2a IV ES (2.5 × 107 komórki) transfekowano 50 μg linearyzowanego wektora docelowego przez elektroporację pojemności 500 μF, 270 V / 1.8 mm (ECM600, manipulator elektro-komórkowy BTX), a następnie selekcję za pomocą traktowania G418 (250 μg / ml) po transfekcji. W sumie zebrano kolonie oporne na 120, a genomowy DNA poddano analizie Southern blot w celu potwierdzenia rekombinacji homologicznej. Myszy D1R-KO wytworzono stosując homologiczne rekombinowane komórki ES zasadniczo jak opisano wcześniej (Yamaguchi i in., 1996; Koera i in., 1997). Myszy D1R-KO krzyżowano wstecznie ze szczepem C57BL / 6J (B6 / J) dla pokoleń 10 i utrzymywano w tle genetycznym B6 / J. DNA ogona potomstwa analizowano metodą PCR przy użyciu czterech starterów: (starter a) D1TET-1, 5 ′ CAG AAG ACA GGT GGA AAG CA 3 ′, (primer b) mD1Rexon2.seq, 5 ′ TCC ATG GTA GAA GTG TTA GGA GCC 3 ′, (primer c) neo10, 5 ′ ATC AGA GCA GCC GAT TGT CTG 3 ′ i (primer) D1R3′60R, 5 ′ GTT GGA GAA GTT CTG TAA CTG TCC 3 ′. Warunki PCR były następujące: denaturacja przy 94 ° C dla 4 min, po której następowały cykle 30 1 min przy 94 ° C, 1 min przy 60 ° C, 1 min przy 72 ° C, końcowe wydłużenie przy 72 ° C dla 5 min i przechowywanie w 4 ° C. Allele typu dzikiego i zmutowane odpowiadały produktom PCR 234 i 460 bp (Rys. 1B), odpowiednio. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono zgodnie z wytycznymi Uniwersytetu w Toyama i National Institute for Basic Biology.

Rysunek 1. 

Generowanie myszy D1R-KO i ekspresja białka D1R w mózgach myszy WT i D1R-KO. A, Schematyczne przedstawienie allelu WT, wektora kierującego i zmutowanego allelu mysiego genu D1R. Regiony kodujące i nieulegające translacji pokazano odpowiednio jako zamknięte i otwarte pola. Startery do genotypowania PCR (startery a, b, cid) przedstawiono jako małe groty strzałek oznaczone odpowiednio przez a, b, c i d. ZA BamStrona HI jest wskazana w nawiasach, gdy jest to istotne. Podjednostka A toksyny błoniczej (DT-A), E. coli Geny fosforybozylotransferazy ksantynowo-guaninowej (gpt) i oporne na neomycynę (neo) przedstawiono jako otwarte pola. B, Genotypowanie PCR dzikich myszy typu dzikiego (D1R + / +), heterozygotycznych (D1R +/−) i homozygotycznych (D1R - / -). Produkty PCR z allelu WT i mutanta (KO) to odpowiednio 234 bp i 460 bp. C, Western blot przy użyciu przeciwciała specyficznego dla D1R ujawnił, że białko D1R było całkowicie nieobecne u myszy D1R - / -.

Analiza Western blot.

Mózg homogenizowano w buforze zawierającym 100 mm Tris-HCl, pH 6.7, 1% SDS, 143 mm 2-merkaptoetanol i mieszaninę 1% inhibitora proteazy dla komórek ssaków (Nacalai Tesque). Całkowite lizaty (każdy 200 μg białka) poddano elektroforezie w żelu SDS-poliakryloamidowym 10% i przeniesiono na membranę Immobilon-P (Millipore). Membranę blokowano w PBS zawierającym 10% odtłuszczonego mleka (BD Biosciences) w temperaturze pokojowej przez 30 min i kolejno inkubowano ze szczurzym przeciwciałem monoklonalnym przeciwko D1R (rozcieńczenie Sigma, 1: 1000), a następnie inkubowano z kozim przeciwciałem sprzężonym z peroksydazą chrzanową przeciwko IgG szczura (rozcieńczenie Sigma, 1: 1000) lub przeciwciało królicze przeciw aktynie (rozcieńczenie Sigma, 1: 1000), a następnie inkubacja z kozim przeciwciałem skoniugowanym z peroksydazą chrzanową przeciwko króliczej IgG (rozcieńczenie Sigma, 1: 1000). Immunoreaktywne prążki białka wykryto zgodnie z protokołem zestawu do wykrywania ECL (GE Healthcare).

Implantacja elektrody.

Myszy trzymano pojedynczo w cyklu świetlnym 12 h (światła na 8: 00 AM) i miały ad libitum dostęp do żywności i wody. Myszy otrzymywały co najmniej 1 tydzień po przybyciu, aby zaaklimatyzować się w środowisku laboratoryjnym przed procedurami eksperymentalnymi. W dniu zabiegu myszy znieczulono (pentobarbital, 40 mg / kg, ip) i wszczepiono obustronnie za pomocą monopolarnych elektrod stymulujących (średnica 100 μm, stal nierdzewna) do wewnątrzczaszkowej samo-stymulacji w wiązce przyśrodkowej przodomózgowia na poziomie tylnej części bocznej obszar podwzgórza (Franklin i Paxinos, 1997) (przednia, -2.3 mm; mediolateralna, ± 0.70 – 0.75 mm; i dorsoventralna, -5.3 – 5.4 mm). Ruchomy zespół rejestracyjny składający się z tetrod 2 skręconego drutu nichromowego 17 μm (California Fine Wire Company) lub wiązki przewodów 8 wszczepiono w grzbietową część regionu CA1 hipokampa (Franklin i Paxinos, 1997) (1.8 mm za bregmą, 1.8 mm z boku od bregmy i 1.4 mm poniżej powierzchni czaszki) podczas tej samej operacji. Śruba jubilerska przymocowana do czaszki służyła jako elektroda uziemiająca u wszystkich myszy. Mikrodysk przymocowano do czaszki za pomocą śrub jubilerskich i cementu dentystycznego. Końcówki elektrod zostały pozłacane przed operacją w celu zmniejszenia impedancji do 100–300 kΩ przy 1 kHz.

Aparat eksperymentalny i trening zadań przestrzennych.

Aparat do treningu zadań przestrzennych był okrągłym polem otwartym (średnica 80 cm, ściana wysoka 25); był podniesiony 80 cm nad podłogą na wózku z kółkami, które pozwalały na ręczne obracanie i przesuwanie otwartego pola (Rys. 2A). Otwarte pole było wewnątrz pomalowane na czarno i otoczone czarną zasłoną (średnica 180 cm i wysokość 200 cm). Sufit obudowy zawierał cztery małe głośniki zamontowane blisko obwodu, oddalone od siebie o 90 °, 4 żarówki indywidualnie zamontowane w pobliżu wewnętrznej krawędzi każdego głośnika oraz kamerę wideo na środku. Zwykle żarówka zapalała się w pozycji godziny trzeciej, a głośnik nieprzerwanie emitował biały szum w pozycji godziny dziewiątej. Zapalona żarówka i emitujący głośnik służyły jako dystalne wskazówki. Na główce myszy zamontowano małą żarówkę 6 V. Kamera wideo (CinePlex, Plexon) przekształciła rzeczywisty sygnał obrazu wideo na sygnał binarny i śledziła poziomy ruch małej żarówki. Komputer laboratoryjny (Dell, Precision 380) otrzymał x i y współrzędne położenia głowy myszy w ramkach / klatkach 33. Myszy szkolono w losowym zadaniu żerowania na otwartym polu (Rys. 2B). W przypadku zadania żerowania program wyznaczał obszary kołowe (miejsca nagradzania), których centra były wybierane losowo w obrębie kwadratu otoczonego otwartym polem, i wyzwalał dostarczanie nagród za stymulację mózgu (BSR), gdy mysz weszła do miejsca nagrody. Po interwale 5 miejsce nagrody zostało przeniesione do innej lokalizacji i ponownie aktywowane

Rysunek 2. 

Ustawienia eksperymentalne, zadania przestrzenne i manipulacje eksperymentalne. A, Zestaw doświadczalny. Otwarte pole zawierające mysz było oglądane od góry ze środka przez kamerę CCD, która sygnalizowała pozycję myszy. Jako dystalne wskazówki, żarowe żarówki elektryczne i głośniki emitujące biały szum zostały zamontowane w czterech peryferyjnych pozycjach sufitu. Komputer wykreślił ślad myszy i kontrolował dostarczanie nagrody ze stymulatora. B, Losowe zadanie żerowania: program komputerowy losowo wyznaczył okrągłe miejsce nagrody (małe grube czerwone kółko). Mysz została nagrodzona, gdy weszła w miejsce nagrody, które następnie zostało unieruchomione (małe, cienkie czerwone kółko). START, Lokalizacja myszy na początku sesji. Czerwone kropki, miejsca dostarczenia nagrody. C, Manipulacje w znajomym otwartym terenie. W sesji standardowej (linia bazowa 1) żarówka była zapalana w pozycji godziny 3, a głośnik w sposób ciągły emitował biały szum w pozycji godziny 9. Podczas sesji rotacji dystalnej położenie dystalnych wskazówek zostało obrócone o 180 ° ze stałą komorą. W sesji rotacji proksymalnej komorę otwartego pola obrócono o 180 °, podczas gdy dystalne wskazówki pozostały niezmienione. D, Manipulacje w nowatorskim polu otwartym. Kwadratowa komora zastąpiła okrągłe otwarte pole. Wszystkie testy manipulacji były podobne do tych stosowanych w znanym otwartym polu. Skala czasu pokazuje czas trwania sesji nagrywania i odstępów między sesjami.

Izolacja urządzenia i nagrywanie.

Zespół elektrody rejestrującej został przesunięty w HF o ∼20 μm / d. Aktywności neuronalne rejestrowano przy użyciu konwencjonalnej procedury zapisu, gdy myszy przeprowadzały żerowanie. Komórki o złożonym kolcu określono za pomocą kryteriów opisanych w poprzednich badaniach (Ranck, 1973; Foster i Wilson, 2006). Gromadzenie danych rozpoczęło się, gdy stosunek sygnału do szumu przekroczył times4 razy na jednej z elektrod. Wzmocnienie sygnału, filtrowanie i digitalizacja przebiegów szczytowych za pomocą podstawowej platformy analizy składowej zostały wykonane przy użyciu systemu Plexon. Nagrane sygnały były wzmacniane razy 10,000, filtrowane między 0.6 i 3 kHz, digitalizowane z częstotliwością próbkowania 40 kHz i przechowywane na dysku twardym komputera w celu sortowania impulsów off-line. Cyfryzowane aktywności neuronalne zostały wyizolowane w pojedyncze jednostki za pomocą ich komponentów falowych za pomocą programu sortującego off-line (OfflineSorter, Plexon). Narysowane zostały nałożone na siebie formy pojedynczych jednostek, aby sprawdzić niezmienność podczas sesji nagraniowych. Każdy klaster był następnie sprawdzany ręcznie, aby upewnić się, że granice klastra były dobrze rozdzielone i że kształty fal były zgodne z potencjałami akcji. Dla każdego izolowanego klastra skonstruowano histogram interwału międzykolcowego i bezwzględny okres refrakcji wynoszący co najmniej 1.0 ms użyto do wykluczenia podejrzanych jednostek wielokrotnych. Przykład zapisu tetrod jest pokazany w Rysunek 3.

Rysunek 3. 

Przykład zapisu wielu jednostek z tetrodą izolowaną przez sortownik off-line. A, Nałożone przebiegi neuronów 4 (a, b, c, d) zarejestrowane przez każdą elektrodę (E1-E4) z tetrod odpowiadających analizie skupień w B. B, Analiza skupień. The x- i y-axe reprezentują wartości szczytowe sygnałów w elektrodzie 2 i 1 odpowiednio czterech elektrod tetrodowych. Każda kropka reprezentuje jeden skok neuronów, który przekroczył zdefiniowany próg. Zidentyfikowano cztery skupione okręgi (a, b, c, d). Białe klastry rozproszone w środku i na lewym i prawym rogu reprezentują odpowiednio szum wyjściowy i sygnały stymulacji. Kalibracja: 0.8 ms, 0.5 mV.

Manipulacje w okrągłym polu otwartym (znajome środowisko).

Aktywność komórek miejsca monitorowano w okrągłej cylindrycznej komorze przez kilka sesji 10 min, podczas których myszy losowo poszukiwały BSR. Neurony rejestrowano w sesjach sekwencyjnych w celu określenia stabilności pól miejsca między sesjami i ilości kontroli pozaziemskiej (dystalnej) i wewnątrzszpitalnej (proksymalnej). Rysunek 2C przedstawia schemat testowania sesji sekwencyjnych. W standardowej sesji (prerotacja, linia bazowa 1), aktywność neuronalną monitorowano, gdy myszy żerowały w okrągłym otwartym polu z głośnikiem emitującym w sposób ciągły biały szum na godzinie 9, a żarówka elektryczna została włączona o godzinie 3:180. pozycja zegara. Neurony następnie rejestrowano w sesjach rotacji dystalnej wskazówki i bliższej rotacji wskazówki. W sesji rotacji dystalnych wskazówek, położenie dystalnych wskazówek było obracane o 180 °, podczas gdy komora była stała. W proksymalnej rotacji wskazówki komorę obrócono o 5 °, podczas gdy dystalne wskazówki pozostały niezmienione. Po każdej manipulacji sesjami dystalnymi lub proksymalnymi rejestrowano dodatkową sesję, w której wskazówki dystalne i proksymalne były przywracane do standardowych warunków. Ponieważ wiele sesji zostało nagranych sekwencyjnie, mysz zazwyczaj nie była odłączana od kabla nagrywającego między sesjami. Nie dokonaliśmy żadnych manipulacji, które mogłyby wpłynąć na orientację przestrzenną zwierzęcia. Przed i po każdej sesji nagraniowej mysz spoczywała na pudełku umieszczonym na cokole poza komorą nagraniową przez XNUMX min.

Manipulacje w otwartym polu otwartym (nowe środowisko).

Umieść komórki następnie zapisano w nowym otwartym polu, na które mysz była narażona po raz pierwszy. Nowe otwarte pole to kwadratowa komora (o wymiarach 55 × 55 cm, wysokość 25 cm), która zastąpiła znane otwarte pole. Alternatywnie zastosowano dwie identyczne kwadratowe komory. Sekwencje manipulacji w nowym środowisku były podobne do tych używanych w znanym środowisku (Rys. 2D). Przed każdą sesją w znanym lub nowym środowisku podłoga była czyszczona roztworem 0.5% Hibitan (firma Sumitomo).

Umieść rozgraniczenie pola.

Dzielenie całkowitej liczby skoków przez skumulowany czas przebywania w każdym pikselu dla całej sesji dało mapę szybkości wypalania. Mapę rozkładu szybkości wypalania pikseli reprezentowała skala kolorów o rozmiarze piksela 2.4 × 2.4 cm. Piksele, których mysz nie odwiedziła w otwartym polu, są zaznaczone na szaro, a piksele, w których mysz odwiedziła, ale komórka nigdy nie została wyzwolona przez białe piksele. Szybkość wystrzału większa niż zero została oceniona w rosnącej skali, przy czym skale kolorów to cyjan, niebieski, zielony, żółty i czerwony. Piksele z szybkością strzelania większą niż dwukrotność średniej są wyświetlane jako czerwone piksele. Pola miejsca zostały określone jako klastry pikseli o szybkościach strzelania przekraczających dwukrotnie średnią szybkości wyzwalania sesji. Pole miejsca może być kontynuowane przez dowolną krawędź dzieloną przez dwa piksele spełniające kryterium, ale nie przez narożniki. Jeśli jedno lub więcej sąsiadujących pikseli spełniło kryterium, pole zostało rozszerzone o piksele. Każdy dodany piksel był następnie testowany na obecność sąsiedniego piksela, który spełniał kryterium. Gdy żadne sąsiednie piksele nie spełniały kryterium, określono granicę pola. Minimalny rozmiar pola komórki powiązanej z miejscem został ustawiony na piksele 9. Nieciągłe łaty sąsiednich pikseli zawierające znacznie zwiększoną szybkość strzelania zostały zdefiniowane jako „podpola”, jeśli spełniły powyższe kryterium pól miejsca.

Standardowa analiza sesji.

Dla każdego neuronu związanego z miejscem wykres szybkości wypalania podczas standardowej sesji został użyty do określenia (1) rozmiaru pola miejsca; (2) średnia całkowita szybkość zapłonu; (3) średnia szybkość zapłonu bramkowego; (4) średnia szybkość strzelania z pola; (5) maksymalna szybkość zapłonu pola bramkowego; (6) rzadkość; (7) strojenie przestrzenne; (8) spójność przestrzenna; oraz (9) treść informacji przestrzennej (bity / skok). Analizy te przeprowadzono przy użyciu wcześniej opisanych metod (Wiener i in., 1989; Skaggs i in., 1993; Jung i wsp., 1994; Hetherington i Shapiro, 1997; Shapiro i in., 1997). Wartości tych parametrów porównano między dwiema grupami myszy przy użyciu testu Studenta t test. W skrócie, wielkość pola miejsca oszacowano jako procent pola miejsca nad odwiedzaną areną. Średnią całkowitą szybkość strzelania obliczono jako całkowitą liczbę impulsów wystrzelonych w ramach sesji podzieloną przez czas sesji. Średnią infield i średnią szybkość strzelania z pola określono jako uśrednioną szybkość strzelania komórki w polu pola i poza nim. Maksymalna szybkość strzelania bramkowego była najwyższą szybkością strzelania wszystkich pikseli w polu miejsca. Strojenie przestrzenne komórki określono jako stosunek średniej szybkości wystrzeliwania pola miejsca do średniej szybkości wystrzału pola zewnętrznego (Wiener i in., 1989). Spójność przestrzenna została obliczona przez wykonanie transformacji z do korelacji między szybkością w pikselu a średnią szybkością w sąsiednich pikselach. Informacja przestrzenna (Inf) sygnalizowana przez każdą jednostkę (Skaggs i in., 1993) obliczono za pomocą następującego równania: Formuła gdzie R to średnia szybkostrzelność sesji, ri to szybkość w pikselach i, Pi to prawdopodobieństwo wykrycia myszy w pikselu i.

Analizy dystalnej rotacji, proksymalnej rotacji i remapowania.

Aby określić ilościowo rotację pól miejsca między różnymi sesjami z manipulacją środowiskową (rotacja dystalnych lub proksymalnych wskazówek), zmierzono wynik korelacji rotacji dla każdej komórki miejsca. Pojemniki zostały wygładzone poprzez ponowne obliczenie szybkości wypalania każdego pojemnika jako średniej jego i sąsiednich pojemników. Dla każdej komórki (1) zmierzono korelację iloczynu momentów iloczynu Pearsona między tablicą szybkości wyzwalania w pierwotnej sesji a tą w drugiej sesji z manipulacją środowiskową, a następnie (2) obliczono wielkość obrotu kątowego map szybkości odpalania. ilościowo między parą sesji. Ta ostatnia wartość została określona przez obracanie mapy częstotliwości wyzwalania drugiej sesji w przyrostach obrotu o 5 ° w celu określenia pozycji, w której obrócona mapa strzelania była maksymalnie skorelowana z mapą częstotliwości wyzwalania z pierwotnej sesji. Jako kąt obrotu, który wytworzył największą korelację, przyjęto wielkość, o jaką pole miejsca obróciło się między dwiema sesjami, a komórka była uzasadniona jako podążająca za wskazówkami, jeśli jej pola miejsca przesunęły się o> 50% kąta obróconego dla danej rotacji wskazówki sesja w porównaniu z poprzednią sesją bazową. Obliczono również miary rozbieżności pól strzelniczych (przemapowania) w obu komorach. Uważano, że komórka zmienia mapę, jeśli spełnia jeden z następujących warunków: (1) komórka przestała strzelać po wystawieniu na działanie nowej komory, (2) komórka stała się bardziej aktywna w nowej komorze niż w znanej komorze, lub (3) pole przesunęło się do miejsca, które nie pokrywało się pozycją i kierunkiem z poprzednią lokalizacją w znanej komorze.

Badanie ostrości wzroku.

Zmodyfikowany test urwiska wizualnego (Fox, 1965; Crawley, 2000) zastosowano do badania ostrości widzenia naszych myszy. Drewniane pudełko (46 cm × 46 cm) z poziomą płaszczyzną połączoną z pionową kroplą (48 cm), która z kolei jest połączona z dolną płaszczyzną poziomą przy najniższym punkcie pionowego spadku. Czarno-biały papier z szachownicą pokrył powierzchnię poziomych płaszczyzn i pionowy spadek. Arkusz przezroczystego pleksiglasu pokrył urwisko. Grzbiet aluminium (2.54 cm szerokości i 3.8 cm grubości) został umieszczony na krawędzi urwiska. Obie strony aparatu były mocno oświetlone. Wibrysy usunięto przed testem urwiska wzrokowego, aby wyeliminować informacje dotykowe. Zastosowano dwie grupy z każdym dorosłym samcem 10 z myszy D1R-KO i WT. Mysz została umieszczona na środkowym grzbiecie na początku każdej kolejnej próby 10 (po próbach 5 aparat został przekształcony w 180 ° i 5 przeprowadzono więcej badań). Gdy mysz zdecydowała się zejść na poziomą powierzchnię w kratkę, uznano ją za odpowiedź „pozytywną”, podczas gdy mysz schodząca na stronę zrzutu urwiska była uważana za odpowiedź „negatywną”. Czas potrzebny myszy na zejście ze środkowego grzbietu został zarejestrowany jako opóźnienie odpowiedzi.

Histologia.

Po oszacowaniu, że elektrody rejestrujące są przesuwane poniżej warstwy komórek piramidowych CA1 hipokampa, lokalizacje elektrod rejestrujących zweryfikowano histologicznie. Myszy głęboko znieczulono pentobarbitalem sodu (40 mg / kg ip). Uszkodzenie elektrolityczne (prąd ujemny 30 μA dla 15 s) zastosowano przez elektrody rejestrujące. Mysz perfundowano 0.9% solanką, a następnie 10% buforowanym roztworem soli fizjologicznej. Mózg usunięto i utrwalono w 30% formalno-soli przez tydzień. Mózgi wycięto koronowo (50 μm) na zamrażającym mikrotomie i wybarwiono fioletem krezolowym.

wyniki

Generowanie i charakteryzacja myszy D1R-KO

Aby zniszczyć gen D1R w mysich komórkach ES przez rekombinację homologiczną, skonstruowaliśmy wektor kierujący, aby usunąć całą sekwencję kodującą (Rys. 1A). Cztery klony z rozerwanym genem D1R z kolonii opornych na 120 G418 otrzymano przez transfekcję komórek ES ES EXUMUMXTG14a za pomocą wektora nakierowującego za pomocą analizy Southern blot (dane nie pokazane), a chimery pochodzące z klonów przekazały mutację przez linię zarodkową. Heterozygotyczne potomstwo krzyżowano w celu wytworzenia homozygotycznych mutantów myszy. Rysunek 1B pokazuje analizę PCR genotypów potomstwa z heterozygotycznych krycia. Całkowite lizaty dorosłego mózgu myszy badano za pomocą analizy Western blot. Ekspresja D1R była całkowicie nieobecna u myszy D1R-KO w porównaniu z myszami WT (Rys. 1C). W przeciwieństwie do tego, β-aktyna była normalnie wyrażana w prążkowiu myszy D1R-KO i WT (Rys. 1C).

Histologia

Pozycje elektrod zapisujących zweryfikowano mikroskopowo i zmapowano na odpowiednie skrawki tkanki, a skrawki porównano z atlasem mózgu myszy Franklin and Paxinos (1997). Wszystkie miejsca zapisu znajdowały się w regionie CA1 dla obu typów myszy (Rys. 4).

Rysunek 4. 

Weryfikacja rozmieszczenia elektrod. Lokalizacja końcówek elektrod rejestrujących (czarne kółka wypełnione) dla myszy WT (A) i myszy D1R-KO (B) używane do eksperymentu nagrywania jednostki. Płyty zostały zmodyfikowane, aby przypominały te z Franklin and Paxinos (1997). Liczby obok każdej sekcji odpowiadają milimetrom od bregmy.

Komórki hipokampa u myszy D1R-KO i WT w znanym środowisku

Zarejestrowaliśmy aktywność neuronalną z regionu CA1 w D1R-KO i ich współlokatorach z WT. Sto osiemdziesiąt trzy komórki zarejestrowano z myszy WT i komórek 82 z myszy D1R-KO. Z tych komórek 99 z myszy WT wykazywał aktywność związaną z miejscem (za pomocą tetrod, 77 / 99, 77.8%; za pomocą pojedynczych elektrod, 22 / 99, 22.2%), a 52 z myszy D1R-KO wykazywał aktywność związaną z miejscem (przez tetrodes, 42 / 52, 80.8%; za pomocą pojedynczej elektrody, 10 / 52, 19.2%). Nie było różnicy w liczbie zarejestrowanych komórek wykazujących aktywność związaną z miejscem między dwiema grupami myszy (WT, 99 / 183, 54.1% vs KO, 52 / 82, 63.4%, p = 0.156, χ2 test). Tak więc wyeliminowanie D1R nie zmniejsza liczby komórek miejsca. Dla komórek miejsca scharakteryzowaliśmy podstawowe właściwości wypalania w standardowej sesji w znanym środowisku (Tabela 1). Nie było istotnych różnic we wszystkich parametrach strzelania przestrzennego między dwiema grupami myszy (we wszystkich porównaniach, p > 0.05), co sugeruje, że brak D1R nie wpływa niekorzystnie na podstawowe właściwości wypalania komórek umieszczonych w stabilnym i dobrze zbadanym środowisku.

Wyświetl tę tabelę: 

Tabela 1. 

Porównanie właściwości wypalania komórek hipokampowych u myszy WT i D1R-KO w znanym środowisku

D1R-KO redukuje komórki miejsca reagujące na sygnały dystalne w znanym środowisku

W związku z tym zbadaliśmy plastyczność nerwową komórek miejsca hipokampa poddawanych manipulacjom rotacyjnym dystalnych i proksymalnych sygnałów w znanej okrągłej komorze rejestracji. Odpowiedzi miejscowych komórek na manipulacje sygnałami środowiskowymi zostały sklasyfikowane jako kontrolowane przez dystalne wskazówki, proksymalne wskazówki, oba typy cue i żaden typ cue (Tabela 2). U myszy WT efekty bodźców dystalnych przeważały nad sygnałami proksymalnymi (Tabela 2), ponieważ większość komórek miejsca (52 / 91, 57.1%) śledziła rotację dystalnych wskazówek (Rys. 5A, 1 – 5), mniej komórek miejsca (15 / 91, 16.5%) śledziło obrót proksymalnych wskazówek (Rys. 5B, 1 – 5), a piąta (18 / 91, 19.8%) śledziła obrót zarówno dystalnych, jak i proksymalnych sygnałów (Rys. 5C, 1 – 5). Uderzająco w myszach D1R-KO (Tabela 2), żadne komórki miejsca (0 / 50, 0%) nie podążały za obrotem dystalnych wskazówek, ale większość zarejestrowanych komórek miejsca (40 / 50, 80%) śledziła rotację proksymalnych wskazówek (Rys. 6A,B, 1 – 5). Liczba neuronów, na które wpłynęła rotacja cue (po dystalnych + proksymalnych + obu sygnałach) u myszy D1R-KO była mniejsza niż u myszy WT (KO, 40 / 50, 80% vs WT, 85 / 91, 93.4% , p <0.05). Wyniki te pokazują, że chociaż liczba neuronów, które zmieniły swoją aktywność w odpowiedzi na proksymalne bodźce wzrosła u myszy D1R-KO, ten wzrost nadal nie kompensował wszystkich odpowiedzi, jak obserwowano u myszy WT.

Wyświetl tę tabelę: 

Tabela 2. 

Liczby komórek hipokampa w myszach WT i D1R-KO badano pod kątem odpowiedzi na zmiany w dystalnych i proksymalnych wskazówkach zarówno w znanych, jak i nowatorskich środowiskach

Rysunek 5. 

Wpływ zmian w relacjach przestrzennych między dystalnymi i proksymalnymi sygnałami na aktywność związaną z miejscem hipokampa u myszy WT w znanych (1-5) i nowatorskich środowiskach (6-10). A, W znanym środowisku komórka miejscowa miała miejsce strzelania w pozycji około godziny 9 (1) w sesji standardowej, a jej miejsce zostało przesunięte do pozycji na godzinie 3 (2) w sesji rotacji dystalnej , powrócił do tej samej pozycji (3) jak w sesji standardowej w sesji baseline 2, bez przesunięcia (4) w sesji rotacji proksymalnej i bez zmiany (5) w sesji powrotnej, w której komora zapisu została normalna pozycja. W nowym środowisku, specyficzne dla lokalizacji odpalanie tej komórki również następowało za wskazówkami dalszymi (6–7), ale nie za wskazówkami proksymalnymi (8–9). B, Komórka miejsca miała pole miejsca, które nie podążało za rotacją dystalnych wskazówek (1 – 2), ale śledziło proksymalne sygnały (3 – 4) w znanym środowisku. Pole miejsca tej komórki zostało ponownie odwzorowane w nowym środowisku, gdy jego pole miejsca pojawiło się przeciwnie do tego w znanym środowisku, ale nadal podążało za obrotem proksymalnych wskazówek (8 – 9). C, Komórka miejsca miała pole miejsca, które nastąpiło po zmianie zarówno dystalnych wskazówek (1 – 2), jak i proksymalnych wskazówek (3 – 4) w znanym środowisku. Co ciekawe, w nowym środowisku pole miejsca tej komórki podążyło tylko za dalszymi wskazówkami (5 – 6), a nie za sygnałami proksymalnymi. Zdjęcia żarówek i głośników obok map wypalania wskazują ich rozmieszczenie w warunkach manipulacji sygnałów dystalnych i proksymalnych. Strzałki obrotu wskazują obrót komory rejestrującej w sesji obrotu proksymalnej wskazówki. Tabele skali kolorów po prawej stronie map wypalania wskazują kalibrację dla szybkości wypalania. Liczby pogrubione i w nawiasach po prawej stronie map szybkości wypalania wskazują odpowiednio wskaźniki strzelania i pola strzelania. Zielone otwarte kwadraty zawierają mapy szybkości wypalania, aby podkreślić sesje, w których pole miejsca komórki obróciło się.

Rysunek 6. 

Wpływ zmian w relacjach przestrzennych między sygnałami dystalnymi i proksymalnymi na aktywność związaną z miejscem hipokampa u myszy D1R-KO w znanych (1-5) i nowatorskich środowiskach (6 – 10). A, Typowa komórka miejsca miała pole miejsca, które nie podążało za rotacją dystalnych wskazówek (1 – 2), ale następowało po obrocie proksymalnych wskazówek (3 – 4) w znanym środowisku. W nowym środowisku pole miejsca tej komórki nie zostało zmienione ani przez dalszą, ani proksymalną manipulację wskazówki. B, Inny przykład komórki miejsca, której aktywność związana z miejscem nie podążała za rotacją dystalnych wskazówek (1 – 2), ale podążała za rotacją proksymalnych wskazówek (3 – 4) w znanym środowisku, a ta komórka odpowiadała podobnie w nowym środowisku (6 – 10). Zauważ, że żadne komórki miejsca w myszach D1R-KO nie podążały za zmianą dystalnych wskazówek. Inne opisy są takie jak dla Rysunek 2.

Zmienione odpowiedzi komórek miejsca u myszy D1R-KO w nowym środowisku

Przeprowadziliśmy dalsze eksperymenty w celu wyjaśnienia elastyczności komórek miejsca hipokampa w przetwarzaniu bodźców środowiskowych w nowatorskich środowiskach i określenia, czy system D1R jest zaangażowany w ten proces. Po wstępnym wystawieniu na działanie nowej kwadratowej komory 86 komórki testowano na myszach WT, komórki 38 wykazywały remapowanie, a komórki 7 wyłączały swoje komórki strzelające i komórki 31 zmieniające swoje pola strzelania. Spośród komórek 26 testowanych na myszach D1R-KO komórki 8 zostały ponownie zmapowane, a komórki 3 wyłączone, a komórki 5 zmieniły swoje pola wypalania. Nie było wyraźnych różnic w liczbie komórek odwzorowanych w nowym środowisku między dwiema grupami myszy (WT, 37 / 86, 44.2% vs KO, 8 / 26, 30.8%, p = 0.223), chociaż więcej komórek zmieniło swoje pola strzelania u myszy WT (WT, 31 / 86, 36.1% vs KO, 5 / 26, 19.2%, p = 0.107). Wyniki te sugerują, że ekspozycja na nowe środowisko ma wpływ na wiele komórek zarówno u myszy WT, jak i D1R-KO. Aby przetestować reakcje neuronalne komórek miejsca zarówno w znanych, jak i nowych komorach, zwierzęta musiały wykonać sekwencyjne sesje 10. W myszach D1R-KO, w przypadku kilku komórek, wydajność myszy podczas nagrywania pogorszyła się po sesjach 4 – 5, ponieważ zaczęły się one często zatrzymywać i biegać mniej losowo, jak w kręgach (Tran i in., 2005), a ich trajektorie obejmowały tylko niewielki obszar areny nagrywania, co było niewystarczające do analizy pól miejsca. Aby zachować wiarygodność danych dotyczących reprezentacji neuronalnych zarówno w znanych, jak i środowiskach, w niniejszym badaniu uwzględniliśmy tylko komórki zarejestrowane w sesjach 10 z wystarczającą wydajnością behawioralną, co oznacza, że ​​ograniczona liczba komórek w myszach D1R-KO została przetestowana w powieści środowisko.

W myszach WT tendencja miejscowych komórek do preferencyjnego wykorzystywania dystalnych wskazówek do lokalizowania pól miejsca (Rys. 5A, 6 – 10) nad najbliższymi wskazówkami (Rys. 5B, 6 – 10) był bardziej wyraźny w nowym środowisku (Rys. 7E,G; Tabela 2). Co ciekawe, niewielka część neuronów reagowała wcześniej na sygnały dystalne i proksymalne w znanym środowisku (Rys. 5C, 1 – 5); jednak w nowatorskim środowisku ich specyficzne dla miejsca strzelanie zostało zakotwiczone w dystalnych, ale nie proksymalnych wskazówkach (Rys. 5C, 6 – 10). Ponadto całkowita liczba komórek miejsca, które odpowiedziały na sygnały środowiskowe, nie różniła się między znanymi i nowatorskimi środowiskami (Tabela 2). Wyniki te sugerują, że komórki miejsca hipokampa u myszy WT mogą wykorzystywać informacje środowiskowe do reprezentowania ich położenia w środowisku. Fakt, że kodowanie informacji z dystalnych wskazówek dominowało nad proksymalnymi sygnałami zarówno w znanych, jak i nowych warunkach u myszy WT sugeruje, że wykorzystanie tych informacji jest skuteczne w umożliwieniu zwierzęciu radzenia sobie ze stale zmieniającym się środowiskiem. Co więcej, niektóre z testowanych miejsc po raz pierwszy śledziły dystalne sygnały w nowym środowisku, a następnie były dostrajane do informacji bliższej w znanym środowisku lub odwrotnie. Wynik ten jest zgodny ze znanym pomysłem, że istnieją różne systemy odniesienia dla neuronów hipokampa i że mogą one być elastycznie wymienne lub częściowo nakładać się w pewnych warunkach (Gothard i in., 1996; Knierim i in., 1998; Zinyuk i in., 2000).

Rysunek 7. 

Wykresy punktowe wartości korelacji przestrzennej względem kątów rotacji, które dały maksymalne wartości korelacji między parami sesji dla komórek miejsca hipokampa u myszy WT i D1R-KO. Kąty obrotu są przedstawione na odciętej, a wartości korelacji przestrzennej między parami sesji są reprezentowane na rzędnej; niebieskie wypełnione diamenty są dla myszy WT, a czerwone otwarte kwadraty dla myszy D1R-KO. OGŁOSZENIE, W znanym środowisku istniały dwie subpopulacje komórek miejsca u myszy WT, w których na pola miejsca miały wpływ sygnały dystalne (rozmieszczone wokół 180 °, sesja standardowa vs sesja dystalna rotacja) (A) i sygnały proksymalne (rozmieszczone wokół 180 °, sesja wyjściowa 2 vs sesja proksymalna) (C), z wpływem dystalnych wskazówek przeważających nad sygnałami proksymalnymi. W przypadku myszy D1R-KO żadne komórki miejsca nie przesunęły pól swojego miejsca przez obrót dystalnych wskazówek (wokół 0 °) (A), a większość komórek przesunęła swoje pola pól o obrót proksymalnych wskazówek (C). E-H, W nowym środowisku, dominujący efekt dystalnych sygnałów (E) nad bliższymi wskazówkami (G) nadal był widoczny i był bardziej wyraźny u myszy WT. U myszy D1R-KO tylko kilka komórek odpowiedziało na rotację dystalnych wskazówek (E) i sygnały proksymalne (G), a wiele komórek nie śledziło dystalnych lub proksymalnych zmian wskazań w nowym środowisku.

W myszach D1R-KO nie było komórek miejsca pod wpływem dystalnych wskazówek w nowym środowisku (Rys. 6A,B, 6-10; Rys. 7E; Tabela 2). Wynik ten mógł wynikać z pewnych zmian funkcji poznawczych w stosunku do środowiska zewnętrznego spowodowanych brakiem D1R (Kentros i in., 2004). Co ciekawe, w myszach D1R-KO mniejsza część komórek miejsca podążała za rotacją proksymalnych wskazówek w nowym środowisku, chociaż większość komórek miejsca podążała za obrotem proksymalnych wskazówek w znanym środowisku. Warto zauważyć, że liczba komórek miejsca odpowiadających na żadną wskazówkę w nowym środowisku wzrosła (Tabela 2). Wyniki te sugerują, że umieszczenie komórek w myszach D1R-KO wydaje się mniej prawdopodobne, aby odpowiadały na manipulacje dystalnymi sygnałami, i że wystarczające kodowanie sygnałów proksymalnych może wymagać dłuższej ekspozycji na środowisko, aby dostosować te informacje do aktywności hipokampa.

Wcześniej opisywano istnienie receptorów dopaminowych w siatkówce (Djamgoz i in., 1997; Nguyen-Legros i in., 1999; Courtière i in., 2003). Ich obecność budzi obawy dotyczące ostrości wzroku myszy D1R-KO. Dlatego wykonaliśmy test ostrości wzroku dla myszy (Fox, 1965; Crawley, 2000). Nie stwierdzono różnic w liczbie pozytywnych odpowiedzi i latencji w odpowiedzi między dwoma typami myszy (Tabela 3) (pozytywna odpowiedź: WT, 90 / 100 vs KO, 87 / 100, p = 0.51; opóźnienie: WT, 170.1 ± 12.8 vs KO, 181.8 ± 11.8 s, p = 0.49), wykazując, że widzialność wzrokowa u myszy D1R-KO nie była wyraźnie niedostateczna w porównaniu z myszami WT.

Wyświetl tę tabelę: 

Tabela 3. 

Wyniki testu urwiska wzrokowego u myszy WT i D1R-KO

Dyskusja

Aby przetestować hipotezę, że D1R moduluje reprezentacje przestrzenne w hipokampie w odpowiedzi na zmiany środowiskowe, zarejestrowaliśmy komórki miejsca hipokampa u myszy D1R-KO i WT, manipulując sygnałami środowiskowymi. Myszy D1R-KO mogą mieć wiele komórek miejsca hipokampa z nienaruszonymi podstawowymi właściwościami wypalania w standardowej sesji porównywalnej z tą dla myszy WT. Wcześniej stwierdziliśmy zmniejszenie średniej wielkości pola w miejscu aktywności związanej z miejscem w jądrze półleżącym (NAc) u myszy D1R-KO (Tran i in., 2005). Tak więc, chociaż HF i NAc są wzajemnie połączone i oba są innowowane przez systemy dopaminergiczne, efekty modulacji D1R na reprezentacje przestrzenne w tych dwóch strukturach mogą być przetwarzane w sposób wyraźny. Manipulacje farmakologiczne systemu D1R (Gill i Mizumori, 2006) wykazali, że niezawodność i specyficzność komórek miejsca hipokampa szczura jest zaburzona tylko przez połączenie D1 antagonista ze zmianą kontekstu. W standardowej sesji naszego eksperymentu nastąpiło usunięcie D1R, ale kontekst był stabilny, w wyniku czego podstawowe właściwości strzelania neuronów HF w myszach D1R-KO nie uległy zmianie, co jest zgodne z odkryciem u szczurów. W znanym środowisku myszy miały znaczące wcześniejsze doświadczenie, które stabilizowało niezawodność komórek miejsca, a to może być ważniejsze dla nawigacji przestrzennej niż wielkość pól miejsca per se. Jednakże, gdy manipulowano sygnałami środowiskowymi, odkryliśmy intrygujące zmiany w plastyczności zależnej od kontekstu u myszy D1R-KO, jak opisano.

Reprezentacja hipokampa może być zmieniona przez modyfikację długoterminowego wzmocnienia (LTP) (Rotenberg i in., 2000; Dragoi i in., 2003), a ta plastyczność synaptyczna może być modulowana przez dopaminę (Otmakhova i Lisman, 1996; Matthies i in., 1997; Swanson-Park i in., 1999; Li i wsp., 2003) i nowość przestrzenna (Li i wsp., 2003). Kompleksowe kodowanie wskazówek przestrzennych może mieć kluczowe znaczenie dla szybkiego rozpoznania układu miejsca przez komórki miejsca, co z kolei może przyczynić się do integracji z informacjami idiotetycznymi. Ta zdolność może być ważna dla uczenia się przestrzennego, zwłaszcza w nowych środowiskach. Brak D1R utrudnił integrację przepływu informacji o pamięci przestrzennej, co spowodowało zmniejszenie liczby komórek miejsca odpowiadających na zmiany wskazówek przestrzennych w nowym środowisku. Reprezentacja środowiska przez komórki miejsca hipokampa może jednak nadal być stabilizowana przez inne przepływy informacji pochodzące z innych źródeł, takich jak sygnały idiotetyczne (Gothard i in., 1996; Whishaw i in., 1997; Knierim i in., 1998; Zinyuk i in., 2000; Stuchlik i in., 2001) używane w integracji ścieżek (Gothard i in., 1996; Whishaw i in., 1997; McNaughton i in., 2006), z udziałem innych systemów neuroprzekaźników, takich jak systemy glutaminergiczne (McHugh i in., 1996; Cho i in., 1998; Kentros i in., 1998; McHugh i in., 2007). Ta plastyczność neuronowa może wymagać dłuższej ekspozycji na środowisko. Z brakiem D1 modulacja ta ta neuronalna plastyczność u myszy D1R-KO może być preferencyjnie związana z idiotetycznymi sygnałami (np. integratorem ścieżki) w porównaniu z dalszymi sygnałami ze środowiska. Komórki miejsca hipokampa są częścią szerszego obwodu do dynamicznej reprezentacji lokalizacji własnej (Moser i in., 2008) i obecnie wiadomo, że oddziałują z komórkami siatki w korze śródwęchowej (Brun i in., 2002; Hafting i in., 2005; Sargolini i in., 2006; Fyhn i in., 2007). Komórki siatki mogą dostarczać elementy mapy neuronowej opartej na integracji ścieżki (McNaughton i in., 2006; Moser i in., 2008). Być może bez D1R komórki powrócą do domyślnej „mapy” opartej głównie na integracji ścieżki, powodując, że liczba komórek miejsca po proksymalnych wskazówkach będzie dominować w znanym środowisku.

Przestrzenne nowatorskie kodowanie neuronów hipokampa, zjawisko zgodne z tym, co wielu innych autorów nazywa „remapowaniem” (Leutgeb i in., 2005b) i uważa się, że jest to zdolność zależna od D1R (Li i wsp., 2003), może wpływać na zależną od synaptyczności plastyczność (Li i wsp., 2003) nie tylko przez bezpośredni efekt wyczerpania D1R, ale także przez wpływ tego na inne systemy neuromodulacyjne (Levine i in., 1996; Mele i in., 1996; Swanson-Park i in., 1999). Takie zmiany zagrażają reprezentacji neuronów hipokampa, powodując zmianę w poznaniu przestrzennym (Kentros i in., 2004; Stuchlik i Vales, 2006) lub upośledzenie uczenia się przestrzennego wymagające użycia wskazówek przestrzennych i pamięci miejsc (El-Ghundi i in., 1999; Tran i in., 2005). Co więcej, Kentros i in. (2004) stwierdził również, że zastosowanie D1/D5 agoniści i antagoniści receptora u myszy typu dzikiego zwiększyli lub zmniejszyli stabilność pola w miejscu. Wraz z wynikami Gill i Mizumori (2006) i te z niniejszego badania, dane te wskazują na rolę dopaminergicznej neuromodulacji w tworzeniu reprezentacji hipokampa. Niektóre inne badania wykazały mniejsze upośledzenie uczenia się przestrzennego u szczurów manipulowanych D1R (Wilkerson i Levin, 1999), a manipulacje innymi układami neuromodulującymi, takimi jak receptory NMDA, mogą powodować zaburzenia w zadaniach przestrzennych i niestabilność komórek miejsca (McHugh i in., 1996, 2007; Cho i in., 1998; Kentros i in., 1998; Rotenberg i in., 2000) w niezmienionym środowisku, sugerując ponadto, że funkcje hipokampa mogą polegać na czymś więcej niż tylko systemie D1R w znanym środowisku. Wyniki równych pozytywnych odpowiedzi i latencji w teście ostrości wzroku sugerują, że zmiany w reprezentacji przestrzennej w niniejszym badaniu mogą wynikać z funkcji poznawczych, a nie deficytów w percepcji wzrokowej.

Nasze wyniki potwierdzają tezę, że integracja informacji z przestrzennych punktów orientacyjnych i idiotetycznych sygnałów w komórkach może obejmować wzajemne oddziaływanie systemów dopaminergicznych i innych układów neuromodulujących, w tym układów glutaminergicznych (McHugh i in., 1996, 2007; Mele i in., 1996; Kentros i in., 1998) w hipokampie i wśród systemów przetwarzania informacji (Sawaguchi i Goldman-Rakic, 1991; Wilkerson i Levin, 1999; Durstewitz i in., 2000; Tran i in., 2005), ponieważ dopamina może modulować prąd NMDA (Mele i in., 1996; Durstewitz i in., 2000) i plastyczność hipokampa, a ta modulacja jest związana ze stabilnością pamięci roboczej (Sawaguchi i Goldman-Rakic, 1991; Durstewitz i in., 2000). W tym kontekście doszliśmy do wniosku, że D1R odgrywa ważną rolę w wykrywaniu nowości przestrzennych kodowanych przez przestrzenne reprezentacje komórek miejsca hipokampa, co jest warunkiem wstępnym uczenia się przestrzennego. Niniejsza praca współpracuje z innymi niedawnymi badaniami (Gasbarri i in., 1996; Matthies i in., 1997; Otmakhova i Lisman, 1996; El-Ghundi i in., 1999; Swanson-Park i in., 1999; Wilkerson i Levin, 1999; Tran i in., 2002, 2005; Li i wsp., 2003; Kentros i in., 2004; Gill i Mizumori, 2006; Stuchlik i Vales, 2006) powinien znacząco pomóc w ujawnieniu mechanizmów leżących u podstaw zaangażowania dopaminy w uczenie się i pamięć, od molekularnego do neuronowego, do poziomu behawioralnego.

Przypisy

  • Otrzymano czerwiec 12, 2008.
  • Wersja otrzymała październik 10, 2008.
  • Zaakceptowano październik 10, 2008.
  • Praca ta była wspierana przez japońskie Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii, które udzieliło dotacji na badania naukowe (Grant 18700312 na AHT), podstawowe badania na rzecz nauki i technologii ewolucyjnych, japońską naukę i technologię oraz kanon Fundacja w Europie. Dziękujemy dr Edmundowi T. Rollsowi (University of Oxford, Oxford, UK) za cenne uwagi na temat tego manuskryptu oraz dr Toshikuni Sasaoka (Narodowy Instytut Podstawowej Biologii, Okazaki, Japonia) za pomoc techniczną.

  • Korespondencję należy kierować do Taketoshi Ono, System Emotional Science, University of Toyama, Sugitani 2630, Toyama 930-0194, Japonia. [email chroniony]

Referencje

    1. Brun VH,
    2. Otnass MK,
    3. Molden S,
    4. Steffenach HA,
    5. Witter MP,
    6. Moser MB,
    7. Moser EI

    (2002) Umieść komórki i rozpoznaj miejsce utrzymywane przez bezpośredni obwód entorhinalno-hipokampowy. nauka 296: 2243-2246.

    1. Cho YH,
    2. Giese KP,
    3. Tanila H,
    4. Silva AJ,
    5. Eichenbaum H

    (1998) Nieprawidłowe reprezentacje przestrzenne hipokampa u myszy alphaCaMKIIT286A i CREBalphaDelta. nauka 279: 867-869.

    1. Courtière A,
    2. Hardouin J,
    3. Goujon A,
    4. Vidal F,
    5. Hasbroucq T

    (2003) Selektywne działanie niskodawkowych antagonistów receptora D1 i D2 na przetwarzanie informacji o szczurach. Behav Pharmacol 14: 589-598.

    1. Crawley JN

    (2000) Co jest nie tak z moją myszą? Behawioralne fenotypowanie myszy transgenicznych i myszy knockout (Wiley, Nowy Jork).

    1. Djamgoz MB,
    2. Hankins MW,
    3. Hirano J,
    4. Archer SN

    (1997) Neurobiologia dopaminy w siatkówce w odniesieniu do stanów zwyrodnieniowych tkanki. Vision Res 37: 3509-3529.

    1. Dragoi G,
    2. Harris KD,
    3. Buzsáki G

    (2003) Reprezentacja miejsca w sieciach hipokampa jest modyfikowana przez długotrwałe wzmocnienie. Neuron 39: 843-853.

    1. Durstewitz D,
    2. Seamans JK,
    3. Sejnowski TJ

    (2000) Stabilizacja dopaminy za pośrednictwem aktywności opóźnienia w sieciowym modelu kory przedczołowej. J Neurophysiol 83: 1733-1750.

    1. Eichenbaum H,
    2. Dudchenko P,
    3. Drewno E,
    4. Shapiro M,
    5. Tanila H

    (1999) Komórki hipokampa, pamięci i miejsca: czy jest to pamięć przestrzenna, czy przestrzeń pamięci? Neuron 23: 209-226.

    1. El-Ghundi M,
    2. Fletcher PJ,
    3. Drago J,
    4. Sibley DR,
    5. O'Dowd BF,
    6. George SR

    (1999) Deficyt uczenia się przestrzennego u myszy pozbawionych receptora dopaminy D1. Eur J Pharmacol 383: 95-106.

    1. Foster DJ,
    2. Wilson MA

    (2006) Odwrotne odtwarzanie sekwencji behawioralnych w komórkach miejsca hipokampa podczas stanu przebudzenia. Natura 440: 680-683.

    1. Fox MW

    (1965) Wizualny test klifu do badania wizualnej percepcji głębi u myszy. Anim Behav 13: 232-233.

    1. Franklin KBJ,
    2. Paxinos G

    (1997) Mysi mózg we współrzędnych stereotaktycznych (Academic, San Diego).

    1. Fyhn M,
    2. Hafting T,
    3. Treves A,
    4. Moser MB,
    5. Moser EI

    (2007) Remapowanie hipokampa i wyrównanie siatki w korze śródwęchowej. Natura 446: 190-194.

    1. Gasbarri A,
    2. Sulli A,
    3. Innocenzi R,
    4. Pacitti C,
    5. Brioni JD

    (1996) Upośledzenie pamięci przestrzennej indukowane przez uszkodzenie mezohipokampalnego układu dopaminergicznego u szczura. Neuroscience 74: 1037-1044.

    1. Gill KM,
    2. Mizumori SJY

    (2006) Zależna od kontekstu modulacja receptorów D1: zróżnicowane efekty w hipokampie i prążkowiu. Behav Neurosci 120: 377-392.

    1. Gothard KM,
    2. Skaggs WE,
    3. McNaughton BL

    (1996) Dynamika korekcji niedopasowań w kodzie zespołu hipokampa dla przestrzeni: interakcja między integracją ścieżki a sygnałami środowiskowymi. J Neurosci 16: 8027-8040.

    1. Hafting T,
    2. Fyhn M,
    3. Molden S,
    4. Moser MB,
    5. Moser EI

    (2005) Mikrostruktura mapy przestrzennej w korze śródwęchowej. Natura 436: 801-806.

    1. Hetherington PA,
    2. Shapiro ML

    (1997) Pola miejsca hipokampa są zmieniane przez usuwanie pojedynczych wizualnych wskazówek w sposób zależny od odległości. Behav Neurosci 111: 20-34.

    1. Jung MW,
    2. Wiener SI,
    3. McNaughton BL

    (1994) Porównanie przestrzennych charakterystyk wypalania jednostek w hipokampie grzbietowym i brzusznym u szczura. J Neurosci 14: 7347-7356.

    1. Kentros C,
    2. Hargreaves E,
    3. Hawkins RD,
    4. Kandel ER,
    5. Shapiro M,
    6. Muller RV

    (1998) Zniesienie długoterminowej stabilności nowych map komórek miejsca hipokampa za pomocą blokady receptora NMDA. nauka 280: 2121-2126.

    1. Kentros CG,
    2. Agnihotri NT,
    3. Streater S,
    4. Hawkins RD,
    5. Kandel ER

    (2004) Zwiększona uwaga na kontekst przestrzenny zwiększa zarówno stabilność pola miejsca, jak i pamięć przestrzenną. Neuron 42: 283-295.

    1. Knierim JJ,
    2. Kudrimoti HS,
    3. McNaughton BL

    (1998) Interakcje między wskaźnikami idiotetycznymi a zewnętrznymi punktami orientacyjnymi w kontroli komórek miejsca i komórek kierunku głowy. J Neurophysiol 80: 425-446.

    1. Koera K,
    2. Nakamura K,
    3. Nakao K,
    4. Miyoshi J,
    5. Toyoshima K,
    6. Hatta T,
    7. Otani H,
    8. Aiba A,
    9. Katsuki M

    (1997) K-ras jest niezbędny do rozwoju zarodka myszy. onkogenu 15: 1151-1159.

    1. Leutgeb S,
    2. Leutgeb JK,
    3. Barnes CA,
    4. Moser EI,
    5. McNaughton BL,
    6. Moser MB

    (2005a) Niezależne kody do pamięci przestrzennej i epizodycznej w zespołach neuronalnych hipokampa. nauka 309: 619-923.

    1. Leutgeb S,
    2. Leutgeb JK,
    3. Moser MB,
    4. Moser EI

    (2005b) Umieść komórki, mapy przestrzenne i kod populacji dla pamięci. Curr Opin Neurobiol 15: 738-746.

    1. Dźwignia C,
    2. Wills T,
    3. Cacucci F,
    4. Burgess N,
    5. O'Keefe J.

    (2002) Długotrwała plastyczność w reprezentacji geometrii środowiskowej miejsca hipokampa. Natura 416: 90-94.

    1. Levine MS,
    2. Altemus KL,
    3. Cepeda C,
    4. Cromwell HC,
    5. Crawford C,
    6. Ariano MA,
    7. Drago J,
    8. Sibley DR,
    9. Westphal H

    (1996) Modulujące działania dopaminy na odpowiedzi za pośrednictwem receptora NMDA są zmniejszone w D1A-mało zmutowane myszy. J Neurosci 16: 5870-5882.

    1. Li S,
    2. Cullen WK,
    3. Anwyl R,
    4. Rowan MJ

    (2003) Zależne od dopaminy ułatwienie indukcji LTP w hipokampie CA1 przez ekspozycję na nowość przestrzenną. Nat Neurosci 6: 526-531.

    1. Maguire EA,
    2. Burgess N,
    3. Donnett JG,
    4. Frackowiak RS,
    5. Frith CD,
    6. O'Keefe J.

    (1998) Wiedząc, gdzie się tam dostać: ludzka sieć nawigacji. nauka 280: 921-924.

    1. Matthies H,
    2. Becker A,
    3. Schröeder H,
    4. Kraus J,
    5. Höllt V,
    6. Krug M.

    (1997) Zmutowane myszy z niedoborem dopaminy D1 nie wyrażają późnej fazy długotrwałego wzmocnienia hipokampa. Neuroreport 8: 3533-3535.

    1. McHugh TJ,
    2. Blum KI,
    3. Tsien JZ,
    4. Tonegawa S,
    5. Wilson MA

    (1996) Upośledzona reprezentacja hipokampa przestrzeni u myszy z nokautem NMDAR1 specyficznych dla CA1. Neuron 87: 1339-1349.

    1. McHugh TJ,
    2. Jones MW,
    3. Quinn JJ,
    4. Balthasar N,
    5. Coppari R,
    6. Elmquist JK,
    7. Lowell BB,
    8. Fanselow MS,
    9. Wilson MA,
    10. Tonegawa S.

    (2007) Receptory zakrętu zębatego NMDA pośredniczą w szybkim rozdzielaniu wzorów w sieci hipokampa. nauka 317: 94-99.

    1. McNaughton BL,
    2. Battaglia FP,
    3. Jensen O,
    4. Moser EI,
    5. Moser MB

    (2006) Integracja ścieżek i neuronalne podstawy „mapy poznawczej” Nat Rev Neurosci 7: 663-678.

    1. Mele A,
    2. Castellano C,
    3. Felici A,
    4. Cabib S,
    5. Caccia S,
    6. Oliverio A.

    (1996) Dopamina-Ninterakcje -metylo-d-asparaginian w modulacji aktywności lokomotorycznej i konsolidacji pamięci u myszy. Eur J Pharmacol 308: 1-12.

    1. Moser EI,
    2. Kropff E,
    3. Moser MB

    (2008) Umieść komórki, komórki siatki i system reprezentacji przestrzennej mózgu. Annu Rev Neurosci 31: 69-89.

    1. Muller RU,
    2. Kubie JL

    (1987) Wpływ zmian w środowisku na przestrzenne wystrzeliwanie komórek hipokampa z kolcami złożonymi. J Neurosci 7: 1951-1968.

    1. Nguyen-Legros J,
    2. Versaux-Botteri C,
    3. Vernier P.

    (1999) Lokalizacja receptora dopaminy w siatkówce ssaków. Mol Neurobiol 19: 181-204.

    1. O'Keefe J,
    2. Burgess N

    (1996) Geometryczne determinanty pól miejsca neuronów hipokampa. Natura 381: 425-428.

    1. O'Keefe J,
    2. Dostrovsky J

    (1971) Hipokamp jako mapa przestrzenna. Wstępne dowody z działalności jednostki u swobodnie poruszającego się szczura. brain Res 34: 171-175.

    1. Otmakhova NA,
    2. Lisman JE

    (1996) D1/D5 aktywacja receptora dopaminy zwiększa wielkość wczesnego długotrwałego wzmocnienia w synapsach hipokampa CA1. J Neurosci 16: 7478-7486.

    1. Ranck JB Jr.

    (1973) Badania pojedynczych neuronów w grzbietowej formacji hipokampa i przegrodzie u nieokiełznanych szczurów. I. Korelacje behawioralne i repertuary wypalania. Exp Neurol 41: 461-531.

    1. Rolls ET

    (2005) Emotion wyjaśnił (Oxford UP, Nowy Jork).

    1. Rolls ET,
    2. Xiang JZ

    (2005) Reprezentacje nagrody i widoku przestrzennego oraz nauka w hipokampie naczelnych. J Neurosci 25: 6167-6174.

    1. Rotenberg A,
    2. Pas,
    3. Hawkins RD,
    4. Kandel ER,
    5. Muller RU

    (2000) Równoległe niestabilności długotrwałego wzmocnienia, umieszczania komórek i uczenia się spowodowane zmniejszoną aktywnością kinazy białkowej A. J Neurosci 20: 8096-8102.

    1. Sargolini F,
    2. Fyhn M,
    3. Hafting T,
    4. McNaughton BL,
    5. Witter MP,
    6. Moser MB,
    7. Moser EI

    (2006) Łączna reprezentacja pozycji, kierunku i prędkości w korze śródwęchowej. nauka 312: 758-762.

    1. Sawaguchi T,
    2. Goldman-Rakic ​​PS

    (1991) D1 receptory dopaminy w korze przedczołowej: udział w pamięci roboczej. nauka 251: 947-950.

    1. Skaggs WE,
    2. McNaughton BL,
    3. Gothard KM,
    4. Markus EJ

    (1993) w Postępy w systemach przetwarzania informacji neuronowych, Teoretyczne podejście informacyjne do rozszyfrowania kodu hipokampa, eds Hanson SJ, Cowan JD, Giles CL (Morgan Kaufmann, San Mateo, CA), Vol 5, pp 1030 – 1037.

    1. Stuchlik A,
    2. Vales K

    (2006) Wpływ antagonisty receptora dopaminowego D1 SCH23390 i agonisty D1 A77636 na aktywne unikanie miejsca alotycznego, zadanie poznania przestrzennego. Behav Brain Res 172: 250-255.

    1. Stuchlik A,
    2. Fenton AA,
    3. Bures J

    (2001) Substratalna idiotetyczna nawigacja u szczurów jest osłabiona przez usunięcie lub dewaluację sygnałów pozaziemskich i wewnątrzmózgowych. Proc Natl Acad Sci USA 98: 3537-3542.

    1. Swanson-Park JL,
    2. Coussens CM,
    3. Mason-Parker SE,
    4. Raymond CR,
    5. Hargreaves EL,
    6. Dragunow M,
    7. Cohen AS,
    8. Abraham WC

    (1999) Podwójna dysocjacja w hipokampie dopaminy D1 / receptora D5 i wkładu receptora beta-adrenergicznego w utrzymywanie się długotrwałego wzmocnienia. Neuroscience 92: 485-497.

    1. Tran AH,
    2. Tamura R,
    3. Uwano T,
    4. Kobayashi T,
    5. Katsuki M,
    6. Matsumoto G,
    7. O nie

    (2002) Zmieniona odpowiedź neuronalna półleżąca na przewidywanie nagrody związanej z miejscem u myszy z nokautem receptora dopaminy D2. Proc Natl Acad Sci USA 99: 8986-8991.

    1. Tran AH,
    2. Tamura R,
    3. Uwano T,
    4. Kobayashi T,
    5. Katsuki M,
    6. O nie

    (2005) Receptory dopaminy D1 biorą udział w aktywności lokomotorycznej i odkładają odpowiedzi neuronalne na przewidywanie nagrody związanej z miejscem. Proc Natl Acad Sci USA 102: 2117-2122.

    1. Whishaw IQ,
    2. McKenna JE,
    3. Maaswinkel H

    (1997) Zmiany hipokampowe i integracja ścieżki. Curr Opin Neurobiol 7: 228-234.

    1. Wiener SI,
    2. Paul CA,
    3. Eichenbaum H

    (1989) Przestrzenne i behawioralne korelaty aktywności neuronalnej hipokampa. J Neurosci 9: 2737-2763.

    1. Wilkerson A,
    2. Levin ED

    (1999) Układy dopaminowe D1 i D2 w hipokampie brzusznym i przestrzenna pamięć robocza u szczurów. Neuroscience 89: 743-749.

    1. Wilson MA,
    2. McNaughton BL

    (1993) Dynamika kodu zespołu hipokampa dla przestrzeni. nauka 261: 1055-1058.

    1. Yamaguchi H,
    2. Aiba A,
    3. Nakamura K,
    4. Nakao K,
    5. Sakagami H,
    6. Idź do K,
    7. Kondo H,
    8. Katsuki M

    (1996) Receptor dopaminowy D2 odgrywa kluczową rolę w proliferacji komórek i ekspresji proopiomelanokortyny w przysadce mózgowej. Komórki genów 1: 253-268.

    1. Zinyuk L,
    2. Kubik S,
    3. Kaminsky Y,
    4. Fenton AA,
    5. Bures J

    (2000) Zrozumienie aktywności hipokampa za pomocą celowego zachowania: nawigacja w miejscu indukuje rozładowanie komórek w przestrzennych ramach odniesienia, zarówno istotnych dla zadania, jak i nieistotnych zadaniami. Proc Natl Acad Sci USA 97: 3771-3776.

  •