Novinovo citlivé dopaminergné neuróny v ľudskej substancii Nigra predpovedajú úspech deformačnej pamäťovej formácie (2018)

Obrázok 1

Úlohy, správanie a nahrávacie miesta

(A) Zjednodušené zhrnutie modelu Lisman-Grace.

(B) Úloha. Top: obrazovky prezentované subjektom počas skúšobného pokusu. Spodná časť: čas, za ktorý bola zobrazená každá obrazovka.

(C) Správanie. Zobrazí sa presnosť rozpoznávania všetkých relácií, poradie poradia. Zelené stĺpce označujú relácie s náhodnou presnosťou; žlté stĺpce označujú relácie so záznamami umiestnenými mimo SN.

(D a E) Umiestnenie záznamových miest na mikroelektródy v Talairachovom priestore pri Y = –16 (D) a Y = –17.2 (E). Obrysy označujú hranice SN a STN odvodené od atlasu [21]. Kontakt je sfarbený červenou farbou, ak aspoň jeden pamäťový selektívny neurón (pozri SN neuróny rozlišujú medzi románmi a familiárnymi stimulmi a Analýza typu buniek) bola zaznamenaná na tomto mieste a modrá, ak je to inak.

(F) Umiestnenie kortikálnych záznamov. Je znázornená stredná poloha zaznamenaných kontaktov ECoG na šiestich záznamových reláciách, pre ktoré bol k dispozícii intraoperačný röntgenový obraz (pozri Metódy STAR). vidieť Obrázok S2D pre príklad od jednotlivého subjektu. Zobrazený rekonštruovaný mozog je mozog šablóny [22].

Zobraziť veľký obrázok | Zobraziť obrázok Hi-Res | Stiahnite si aplikáciu PowerPoint Slide

prednosti

• Ľudské neuróny substantia nigra (SN) sú modulované stimulačnou novinkou

• Pamäťovo selektívne neuróny v substantia nigra sú zdanlivo dopaminergné

• Fázové zamykanie neurónov SN na predné oscilácie predpovedá tvorbu pamäte

• Potvrdzuje predpovede modelu slučky Lismana a Graceho VTA / SN-hipokampu u ľudí

zhrnutie

Kódovanie informácií do dlhodobej deklaratívnej pamäte uľahčuje dopamín. Tento proces závisí od signálov novinky hipokampu, zostáva však neznáme, ako sú dopaminergné neuróny stredného mozgu modulované informáciami založenými na deklaratívnej pamäti. Zaznamenali sme jednotlivé neuróny substantia nigra (SN) a potenciály kortikálneho poľa u ľudských pacientov vykonávajúcich úlohu rozpoznávania pamäte. Zistili sme, že 25% SN neurónov bolo modulovaných stimulačnou novinkou. Tvar mimobunkových vĺn a anatomické umiestnenie naznačili, že tieto neuróny selektívne pre pamäť boli predpokladané dopaminergné. Odpovede pamäťovo selektívnych neurónov sa objavili 527 ms po nástupe stimulu, zmenili sa po jedinom pokuse a boli indikátorom presnosti rozpoznania. Fáza neurónov SN uzamknutá na frontálne kortikálne kmity kmitočtu theta-frekvencie a rozsah tejto koordinácie predpovedal úspešnú tvorbu pamäte. Tieto údaje ukazujú, že dopaminergné neuróny v ľudskom SN sú modulované pamäťovými signálmi a demonštrujú progresiu toku informácií v slučke hipokampu-bazálnych ganglií-frontálnej kôry na kódovanie pamäte.

úvod

Tvorba deklaratívnych spomienok závisí od schopnosti hipokampálnych synapsií rýchlo meniť svoju silu prostredníctvom dlhodobej potenciácie a depresie [1]. Sila a trvanie synaptickej plasticity závisí od extracelulárnych hladín dopamínu [2, 3], neuromodulátor, ktorý sa uvoľňuje z hipokampu z axonálnych terminálov vychádzajúcich z dopaminergných neurónov v substantia nigra (SN) a ventrálnej tegmentálnej oblasti (VTA) [4]. Sila hippokampálnych deklaratívnych pamätí je modulovaná uvoľňovaním dopamínu: rozsah aktivácie SN / VTA [5, 6] a hladiny dopamínu v hipokampuse [2, 7] modulujú úspech kódovania. Keď sú zvieratá vystavené novým prostrediam, hladiny dopamínu stúpajú a uľahčujú dlhodobú potenciáciu v hipokampuse. Táto zvýšená pamäť pre nové prostredie sa však stráca, keď sú blokované hipokampálne dopamínové receptory [8]. Hoci tieto a ďalšie pozorovania naznačujú kritickú úlohu dopamínu uvoľneného SN / VTA neurónmi v deklaratívnej pamäti [9, 10, 11], základné mechanizmy, ktoré regulujú túto reakciu, sú nedostatočne pochopené.

Štúdium, ako SN / VTA dopaminergné neuróny signalizujú chyby v očakávaní odmeňovania a odmeňovania [12, 13, 14] odhalilo mechanické chápanie úlohy SN / VTA v klasickom učení a posilňovaní učenia [15]. Okrem toho u ľudí SN neuróny tiež reagujú na zriedkavé zvuky v paradigme podivného lopty [16] a kódovanie výsledkov rozhodovania [17]. O úlohe SN / VTA v získavaní deklaratívnych spomienok je naopak málo známe. Hoci SN dopaminergné neuróny reagujú na nové stimuly počas kondicionovania [13, 18, 19, 20] neexistujú žiadne záznamy SN neurónov počas deklaratívnych pamäťových úloh. Nie je teda známe, či sa SN neuróny odlišujú od nových stimulov a či takáto aktivácia súvisí s úspešnosťou kódovania pamäte.

Navrhlo sa, že dopaminergný systém a hipokampus tvoria multisynaptickú slučku, ktorá začína signálom hippokampálnej novosti, ktorý prechodne excituje dopaminergné neuróny v SN / VTA, čo zase vedie k posilneniu plasticity hipokampu prostredníctvom aktivácie receptorov hipokampálneho dopamínu (Obrázok 1A) [9, 23]. Hoci sa pôvodná hypotéza týka SN aj VTA, naše zameranie je len na SN, a preto obmedzujeme nasledujúcu diskusiu na predpovede relevantné pre SN. Taktiež neobmedzujeme diskusiu na dopaminergné neuróny SN, pretože GABAergné neuróny zase inhibujú dopaminergné (DA) neuróny [24], aby ich odpoveď bola rovnako relevantná pre hypotézu. Hypotéza slučky hippocampus-SN / VTA [9, 23] robí tri konkrétne predpovede týkajúce sa deklaratívnych pamätí: po prvé predpovedá, že aktivita neurónov SN je modulovaná stimulačnou novinkou počas úloh deklaratívnej pamäte. Po druhé, predpovedá, že táto modulácia sa objaví relatívne k nástupu stimulu najskôr v hipokampe a potom po SN. Po tretie, ak je to relevantné pre deklaratívnu pamäť, aktivita SN počas nových stimulov by mala predpovedať úspech alebo zlyhanie formovania pamäte, čo sa hodnotí neskorším správaním. Tu testujeme tieto tri predpovede priamo na ľuďoch tak, že zaznamenávame aktivitu jednotlivých SN neurónov a súvisíme s ich aktivitou behaviorálnou silou pamäti.

Naši jedinci vykonali úlohu rozpoznávania pamäti, pre ktorú sme my a iní opísali novo-signalizačné neuróny v ľudskom hipokampuse [25]. Rozsah, v akom sú tieto neuróny, ktoré sú selektívne pre pamäť, modulované prebiehajúcimi osciláciami theta, predpovedá úspech alebo zlyhanie tvorby pamäte [26]. Dopamín je považovaný za nevyhnutný pre úspešnú tvorbu pamäte v tejto úlohe, pričom nastoľuje otázku, či je aktivita SN neurónov dodatočne koordinovaná prebiehajúcimi theta osciláciami. Theta-frekvencia a iné nízkofrekvenčné oscilácie sú rozhodujúce pri koordinácii toku informácií medzi kortikálnymi a subkortikálnymi oblasťami [27, 28, 29], vrátane SN / VTA, hipokampu a kortexu. Nie je však známe, či koordinácia nervovej aktivity medzi SN neurónmi a kôrou tiež hrá úlohu v deklaratívnej tvorbe pamäte. Tu sme súčasne zaznamenávali aktivitu SN neurónov spolu s potenciálom kortikálneho poľa na frontálnom laloku, aby sme zistili, či je aktivita SN neurónov koordinovaná s kortikálnou aktivitou a či takáto koordinácia predpovedá úspešnosť tvorby pamäte.

výsledky

Úloha a správanie

Subjekty 23 (relácie 28; Tabuľka S1), ktoré podstúpili implantáciu zariadenia na stimuláciu hlbokého mozgu (DBS) v subtalamickom jadre (STN) na liečbu Parkinsonovej choroby (PD) alebo esenciálneho tremoru, ktoré vykonávali úlohu kontinuálneho rozpoznávania pamäti. Dve nahrávacie relácie boli vylúčené, pretože subjekty vykonávali náhodné úrovne a tri relácie boli vylúčené, pretože nahrávky boli vykonané mimo SN (pozri Obrázky 1D a 1E). Takže 23 relácie zostali na analýzu.

Účastníci boli požiadaní, aby si pozreli postupnosť obrázkov a identifikovali každý obrázok ako nový alebo známy (Obrázok 1B). Subjekty stlačili tlačidlo „nové“ alebo „staré“, aby poskytli svoje odpovede (identita tlačidla bola v polovici experimentu obrátená). Každý obrázok bol prezentovaný až trikrát. Prvá prezentácia sa označuje ako „nová“ a zvyšné dve prezentácie ako „známa“. Subjekty dosiahli dobré výsledky s priemernou presnosťou rozpoznania 82% (± 8%, ± SD; Obrázok 1C). Predmety tiež pokračovali v učení, čo dokazuje významný nárast výkonu počas druhej známej prezentácie (87% ± 13%) v porovnaní s prvou (74% ± 12%, t [22] = 5.62, p = 0.0005, permutácia spárovaná t test). Na analýzu sa použili iba správne skúšky, pokiaľ nie je uvedené inak. Medián času medzi nástupom otázky a stlačením tlačidla bol 0.69 ± 0.99 s, bez významného rozdielu v reakčnom čase medzi novými (1.12 ± 1.06 s) a známymi odpoveďami (1.05 ± 0.90 s, t [22] = 1.17, p = 0.26, permutačný párový t test). Každý z použitých obrázkov patril do jednej z troch rôznych vizuálnych kategórií (zvieratá, krajina a ovocie). Nezistili sa významné rozdiely v reakčnom čase ako funkcii vizuálnej kategórie (jednosmerná permutácia ANOVA: F [2,44] = 2, p = 0.13). Tieto údaje o správaní dokazujú, že pacienti vykonali úlohu presne. Predoperačné neuropsychologické hodnotiace testovanie bolo v súlade s týmto pozorovaním (pozri Tabuľka S1).

elektrofyziológie

Identifikovali sme 66 dobre izolované putatívne jednotlivé neuróny zaznamenané zo SN. Obrázky 1D a 1E zobrazujú umiestnenie všetkých nahrávacích miest v priestore Talairach, ako je určené zo stereotaktických súradníc (pozri tiež Metódy STAR a Obrázky S2E a S2F). Neuróny boli dobre izolované, čo bolo kvantitatívne vyhodnotené pomocou meraní kvality spike triedenia (Obrázok S1). V celom rukopise používame výrazy neurón, jednotka a bunka zameniteľné a odkazujeme tak na domnelý jediný neurón. Z každej mikroelektródy sme tiež zaznamenali potenciály poľa pomocou nízkoimpedančného elektródového kontaktu umiestneného 3 mm nad hrotom mikroelektródy (Obrázok S2A). Okrem toho sme zaznamenali signály kortikálneho povrchu (elektrokortikografia [ECoG]) pomocou subdurálnej pásovej elektródy umiestnenej pozdĺž chrbtového fronto-parietálneho povrchu mozgu, ktorý sa rozprestieral predný a zadný k centrálnemu sulku (Obrázky S2B-S2D). Lokalizovali sme polohu elektród ECoG a ich kortikálnych oblastí pomocou kombinácie intraoperačného zobrazovania a mediánovej nervovej stimulácie (pozri Metódy STAR a Obrázky S2C a S2D). Stredná poloha všetkých záznamov ECoG je zobrazená v Obrázok 1F.

SN neuróny reagujú na vizuálne stimuly

Najprv sme testovali, či neuróny zmenili rýchlosť streľby v reakcii na nástup obrazu pri zvažovaní všetkých skúšok spoločne, bez ohľadu na novosť / známosť (pozri Metódy STAR). Zistili sme, že 14/66 (21.2%, p = 0.002, v porovnaní s nulovou distribúciou; Obrázok 2A) neurónov zmenili rýchlosť streľby v reakcii na nástup obrazu (porovnanie hrotov v okne 0–1.5 s po začiatku stimulu s časom −0.5–0 s predchádzajúcom začiatku stimulu). Z týchto „neurónov reagujúcich na obraz“ päť zvýšilo rýchlosť streľby v porovnaní s východiskovou hodnotou (príklad neurónu znázorneného v Obrázok 2C) a 9 znížili ich rýchlosť streľby (napríklad neurón uvedený na obr. \ T Obrázok 2D). Neuróny, ktoré zvyšovali rýchlosť streľby, reagovali významne rýchlejšie ako neuróny, ktoré znížili rýchlosť streľby (224.8 ± 138.5 ms oproti 426 ± 141.9 ms, t [12] = 2.58, p = 0.03, permutovaný t test; pozri Obrázok 2B).

V mnohých oblastiach ľudského mozgu rozlišujú neuróny medzi vizuálnymi kategóriami [30]. Ďalej sme sa preto pýtali, či sa odozva neurónov SN líši medzi tromi rôznymi vizuálnymi kategóriami (zvieratá, krajina a ovocie) obrazov. Nenašli sme dôkazy pre neuróny kategórie SN: jednosmerná permutácia ANOVA neodhalila signifikantný počet neurónov ladených do vizuálnej kategórie (N = 6, 9.1%, p = 0.16; Obrázok 2A). Na rozdiel od mediálneho temporálneho laloku (MTL) [30], v SN sme nenašli signál vizuálnej kategórie.

SN neuróny rozlišujú medzi románmi a familiárnymi stimulmi

Ďalej sme testovali, či SN neuróny signalizovali, že podnet je nový (ukázaný prvýkrát) alebo známy (ukázaný druhý alebo tretí krát). Tu sa odvolávame na takéto neuróny ako pamäťovo selektívne (MS) neuróny [25]. Testovali sme, či odozva SN neurónov vykazovala tento model porovnaním odpovedí neurónov po nástupe stimulov medzi novými a známymi štúdiami. Najprv sme sa zamerali na podskupinu, ktorá mala väčšiu mieru streľby pre román v porovnaní so známymi podnetmi (pozri Metódy STAR). Identifikovali sme takéto neuróny 11 (Obrázky 3A – 3C; 16.6%, p = 0.002, v porovnaní s nulovou distribúciou; pozri tiež Obrázok S3A). Túto podskupinu neurónov MS označujeme ako „novátorské“ neuróny. Tento rozdiel v odozve medzi novými a známymi podnetmi bol už zrejmý, keď bol obraz videný druhýkrát (Obrázok 3D, stred). Odpoveď zostala, ale pri porovnaní druhej a tretej prezentácie rovnakého obrazu sa ďalej neposilňovala (t [10] = 1.36, p = 0.21, permutovaný párový t test; pozri Obrázok 3D, vpravo). Rozdiel v reakcii medzi novými a známymi stimulmi navyše nezávisel od oneskorenia medzi dvoma po sebe nasledujúcimi prezentáciami toho istého obrazu (F [3,30] = 0.22, p = 0.88, jednosmerná permutácia ANOVA; pozri Obrázok 3E).

Ďalej sme testovali, či iné SN neuróny zvyšujú svoju rýchlosť streľby v reakcii na známe obrázky. Zistili sme, že 6 neurónov (9%, p = 0.01, v porovnaní s nulovou distribúciou; pozri tiež Obrázok S3B) vykázali signifikantný nárast pre známe v porovnaní s novými obrázkami. Podobne ako pri neurónoch novinky sa odozva takýchto neurónov „známosti“ medzi druhou a treťou prezentáciou rovnakého obrazu ďalej nezmenila (t [5] = 0.7, p = 0.06; Obrázok 3D) a nebol modulovaný dĺžkou oneskorenia medzi po sebe idúcimi prezentáciami toho istého obrazu (F [3,15] = 2.12, p = 0.14; Obrázok 3E). Tieto údaje spoločne dokazujú, že rýchlosť vypaľovania podstatného podielu SN neurónov (16.6% a 9.0%; Obrázok 3A) boli modulované novinkou alebo známosťou obrazov v deklaratívnej úlohe pamäte. Dôležité je, že táto zmena v odpovedi bola viditeľná po jedinej štúdii (Obrázok 3D) pre neuróny novosti a známosti.

Nové neuróny 17 a známe neuróny spolu označujeme ako neuróny MS (Obrázok 3A). 4 MS neuróny sa tiež kvalifikovali ako neuróny reagujúce na obraz (tzn., Že vykazovali zmenu frekvencie streľby pre všetky štúdie, ktoré sa posudzovali spoločne; Obrázok 2). Dôvodom tohto malého prekrytia je absencia odpovede na nepreferovanú kategóriu stimulov. Aby sme to ukázali, porovnali sme rýchlosť streľby iba nových alebo známych pokusov (v závislosti od toho, na aký typ pokusu bol neurón citlivý) so základnou rýchlosťou streľby. To odhalilo, že bunky MS mali počas prezentácie obrazu signifikantne vyššiu rýchlosť vypaľovania (0–1.5 s, 7.23 ± 17.9 Hz) v porovnaní s východiskovou hodnotou (–0.5–0 s, 6.2 ± 20.9 Hz, t [16] = 1.38, p = 0.042 , permutovaný párový t test), ale iba pre ich preferovaný typ pokusu (nový alebo známy; všimnite si, že to nie je výberom, pretože pri výbere neurónov MS sa nezvažuje základná rýchlosť streľby).

Vykonali sme ďalšie kontrolné analýzy, aby sme overili, že tento pamäťový signál nebol spôsobený inými faktormi, ako napríklad posunom elektródy alebo pomalými zmenami rýchlosti. Po prvé, overili sme, že počas východiskového obdobia neexistoval žiadny podobný rozdiel: neuróny typu MS novorodenca ani familiárnosti nepreukázali takýto rozdiel (Obrázok 3D, vľavo; nie významne odlišný oproti 0 pre neuróny novosti [t [10] = 0.07, p = 0.94] a neuróny známosti [t [5] = 0.58; p = 0.54]). Tiež sme testovali, koľko neurónov MS by sa vybralo, keby sme na výber použili skôr základné obdobie (-0.5–0 s) ako obdobie po nástupe stimulu. Táto analýza odhalila iba 1 (1.5%) zo 66 jednotiek s významným rozdielom medzi novými a známymi obrázkami. Nakoniec sme použili regresný model so zmiešaným efektom na identifikáciu faktorov, ktoré vysvetľujú odchýlky v rýchlosti streľby neurónov MS. Ako prediktory sme použili známosť obrazu a číslo pokusu (plus ID neurónového klastra sa použil ako náhodný efekt). Táto analýza odhalila, že regresor známosti obrazu bol významný aj po zohľadnení účinkov počtu pokusov a bol oveľa silnejší ako regresor počtu pokusov pre oba typy neurónov MS (neuróny novinky: t [864] = 8.95, p <1e − 30 pre nové / starý regresor verzus t [864] = 1.67; p = 0.09 pre regresor podľa počtu pokusov; neuróny známosti: t [501] = 7.24, p <1e − 12 pre nový / starý regresor verzus t [501] = 3.67, p = 0.0002 pre regresora čísla skúšky). Na záver nezabudnite, že sme počas experimentu náhodne zmiešali nové a známe podnety. Tieto kontrolné analýzy spoločne overujú, že rozdiel v reakciách nemožno pripísať driftom elektród.

SN MS neuróny predpovedajú správanie

Ďalej sme skúmali, či odpoveď MS neurónov (testovaných osobitne na neuróny preferujúce novosť a známosť) súvisela s pamäťou, a to tak, že sme hodnotili, či sa ich reakcia líši od správania subjektu. Konkrétne sme porovnali neurálne reakcie na známe podnety (tie, ktoré sa už aspoň raz prejavili), ktoré si pacienti správne pamätali (odpoveď „stará“), s tými, ktoré omylom zabudli (odpoveď „nová“). Pacienti vykazovali behaviorálne dobrý výkon: pamätali si (skutočná pozitívna miera) 74% obrázkov počas prvého opakovania („známe 1“) a 87% po druhom opakovaní („známe 2“). Zistili sme, že odozva nových buniek bola významne oslabená počas pokusov, v ktorých boli známe obrázky omylom hodnotené ako nové v porovnaní s tým, kedy boli správne vyhodnotené ako známe, s rozdielom rýchlosti streľby 0.36 ± 0.36 Hz pre nesprávne a 0.60 ± 0.24 Hz pre správne skúšky (pozri Obrázok 3F; t [11] = 2.72, p = 0.02, permutovaný párový t test; použitou metrikou bol rozdiel v rýchlosti streľby medzi tým, kedy bol obrázok nový a známy normalizovaný základnou rýchlosťou streľby). Pre toto porovnanie sme vylúčili pokusy, pre ktoré bola pôvodná nová prezentácia nesprávna (falošne pozitívna), takže pozorovaný rozdiel bolo možné pripísať iba zabudnutým obrázkom (falošné negatívy). Aj keď boli reakcie na zabudnuté známe podnety menšie, boli stále výrazne odlišné od nuly (Obrázok 3F; t [11] = 3.98, p = 0.002, permutovaný t test). Táto analýza dokazuje, že odozva nových neurónov naznačovala, či si známy stimul spomenieme alebo zabudneme. Pre neuróny, ktoré zvyšujú rýchlosť streľby (n = 6) na známe obrázky, bola táto korelácia správania a neurónovej aktivity kvantitatívne podobná, ale nie významná (Obrázok 3F; t [5] = 2.31, p = 0.056).

Latencia odpovede

Ako rýchlo po nástupe stimulu odozva MS SN neurónov rozlišuje medzi novými a známymi obrazmi? Na zodpovedanie tejto otázky sme potom odhadli prvý bod, v ktorom sa odpovede líšili medzi novými a známymi obrázkami. Porovnali sme kumulatívny súčet spike vlakov, metódu, ktorá poskytuje odhad diferenciálnej latencie neurónu s vysokou presnosťou [31]. Zistili sme, že priemerná diferenciálna latencia bola 527 ms po začiatku obrazu (Obrázok 3G). Porovnali sme túto latenciu s latenciou neurónov MS (n = 122) kódovaných v MTL počas podobnej úlohy rozpoznávania nového / starého v inej populácii pacientov [32, 33]. MS neuróny v MTL mali priemernú diferenciálnu latenciu 311 ms, ktorá bola signifikantne rýchlejšia v porovnaní so SN (p = 0.013, odhadované na základe empiricky odhadnutej nulovej distribúcie, pre ktoré boli nálepky oblastí náhodne opätovne priradené). Tento výsledok bol pravdivý aj pri zohľadnení neurónov MS, ktoré zvýšili svoju rýchlosť streľby na novosť a známe podnety osobitne (p = 0.002 a p = 0.002, neuróny, v uvedenom poradí, v porovnaní s n = 64 nových a n = 58 známych neurónov v MTL). Toto poradie odpovedí je kompatibilné s Lismanovým a Graceovým modelom interakcie medzi hipokampom a VTA / SN [9].

Analýza typu buniek

SN obsahuje dva základné typy neurónov: inhibičné GABAergické neuróny a dopaminergné neuróny, ktoré sa premietajú do vzdialených cieľov, vrátane striatum, amygdala a hippocampus [4, 34, 35, 36]. Pomocou extracelulárnych záznamov sa často dajú rozlíšiť rôzne typy buniek na základe kombinácie šírky tvaru extracelulárnej špičky a priemernej rýchlosti streľby [37]. Najmä v SN je známe, že dopaminergné neuróny majú v porovnaní s GABAergnými neurónmi širšie vlnové tvary a nižšie frekvencie vypaľovania.38, 39], čo má za následok bimodálne rozdelenie šírky priebehu cez všetky neuróny. Zistili sme, že vo všetkých zaznamenaných neurónoch (N = 66) bolo rozdelenie šírok hrotov bimodálne (Hartignova štatistika poklesu: 0.0717, p = 0.006 [40]; vidieť Obrázky 3H a 3I). Ďalej sme teda skúmali, či MS neuróny boli preferenčne určitého bunkového typu. Zistili sme, že neuróny MS boli v priemere charakterizované dlhšími vlnovými formami v porovnaní s neurónmi inými ako MS (1.15 ± 0.23 ms oproti 0.96 ± 0.32 ms; dĺžka vlnového priebehu bola meraná ako čas, ktorý uplynul medzi dvoma pozitívnymi vrcholmi [14] krivky; t [65] = 2.65, p = 0.012, permutačný t test; Obrázky 3H a 3I). MS neuróny navyše splnili kritériá pre DA neuróny stanovené v predchádzajúcej práci: 15/17 MS neurónov malo vlnové tvary dlhšie ako 0.8 ms a rýchlosti streľby nižšie ako 15 Hz [14, 41]. Tiež sme zistili, že miesta záznamu, kde boli identifikované MS neuróny, boli prevažne v dorzálnych častiach SN (Obrázky 1D a 1E). Tieto výsledky sú v súlade s umiestnením pars compacta, v ktorom sa nachádza väčšina dopaminergných neurónov [42, 43]. Spoločne tieto analýzy podporujú názor, že neuróny MS, ktoré sme identifikovali, sú domnelé dopaminergné.

Interakcie SN-Cortex

Bola aktivita SN neurónov spojená s aktivitou potenciálov poľa zaznamenaných z bazálnych ganglií a / alebo kortikálneho povrchu? Kvantifikovali sme spike-pole interakcie pomocou spike pole koherencie (SFC) ako metrika odpovedať na túto otázku. Po prvé, SFC medzi SN neurónmi a potenciálom poľa zaznamenaným v bazálnych gangliách (STN) bol významne vyšší ako šanca v teta-frekvenčnom pásme (Obrázok 4A, ľavý panel; signifikantné pri p <0.05 pri 2–5 Hz vo všetkých N = 56 neurónoch s dostatkom hrotov). Všimnite si, že tu bol poľný potenciál s najväčšou pravdepodobnosťou zaznamenaný z STN a nie zo SN kvôli umiestneniu záznamového kontaktu 3 mm nad hrotom mikroelektródy (pozri Metódy STAR a Obrázok S2A). Po druhé, aktivita SN neurónov bola tiež koordinovaná s potenciálmi kortikálneho poľa: SN neuróny mali radšej streľbu viac počas určitých fáz frekvenčného pásma theta a alfa signálov ECoG zaznamenaných z kortikálneho povrchu (SFC sa významne líšil v rozmedzí 6 - 12 Hz. frekvenčné pásmo, N = 61, p <0.05; Obrázok 4A, pravý panel; pozrite si legendu pre štatistiku; pozri tiež Obrázok S4 pre všetky elektródy). To platilo iba pre jeden pár kontaktov ECoG umiestnený pred centrálnym žliabkom (označené ako +2; ďalšie kontakty neboli významné; pozri Obrázok S4). Kontakty +2 ECoG boli umiestnené na hornom čelnom gyruse v Brodmannovej oblasti 6 (premotorická kôra). Toto zistenie naznačuje, že SN neurónová aktivita je funkčne spojená s touto oblasťou čelného laloku (pozri Diskusia). Ďalej sme testovali, či toto funkčné spojenie bolo behaviorálne relevantné porovnaním jeho sily medzi novými štúdiami, ktoré boli neskôr spomínané s novými štúdiami, ktoré boli neskôr zabudnuté.

Na základe predchádzajúcich výskumov a predpovedí modelu [26], sme predpokladali, že miera koherencie hrotového poľa počas kódovania nových obrázkov predpovedá, či by subjekty úspešne kódovali novú pamäť alebo nie. Aby sme túto hypotézu otestovali, porovnali sme SFC počas prezerania nových obrázkov medzi pokusmi, ktoré sa neskôr správne zapamätali, a pokusmi, ktoré sa neskôr zabudli (tj. Označili sa ako nové). Tento rozdiel v porovnaní s pamäťou ukázal, že obrázky, ktoré si neskôr zapamätali, boli sprevádzané vyšším SFC vo frekvenčnom rozsahu theta pre ECoG merané pred centrálnym sulkom počas kódovania (N = 58 neurónov, 3–9 Hz, p <0.05; Obrázok 4B, pravý panel; pozri legendu pre štatistiku). Upozorňujeme, že tento výpočet zahŕňa iba pokusy, počas ktorých bol obrázok videný prvýkrát (nový) a ktorý subjekt správne označil ako „nový“. Preto bola odpoveď vždy rovnaká („nová“), s vylúčením možnosti, že tento rozdiel bol spôsobený rozdielmi v plánovaní motorov. Podobne ako v prípade SFC pri zohľadnení všetkých pokusov, tento rozdiel bol signifikantný iba pre terénne potenciály zaznamenané pri prednom +2 kontakte umiestnenom na premotorickej kôre (stredný sulcus +2; Obrázok 4B; Obrázky 4C a 4D znázorňujú príklad neurónového SFC a spike spusteného priemeru). Podobný vzťah sme nepozorovali s potenciálnymi záznamami z bazálnych ganglií (STN; Obrázok 4B, ľavý panel; všetky p> 0.05). Ako kontrolu sme tiež porovnali výkon ECoG medzi týmito dvoma podmienkami, ale nezistili sme žiadne významné rozdiely (Obrázok 4E; všetky p> 0.05). Spoločne to ukazuje, že rozsah dlhodobého SFC medzi SN neurónovou aktivitou a potenciálnou aktivitou frontálneho kortikálneho poľa zaznamenaný z premotorickej kôry predpovedal úspešnú tvorbu pamäte.

Ako by sa dala dosiahnuť táto koordinácia hrotu / poľa na diaľku? Na zodpovedanie tejto otázky sme ďalej uskutočnili analýzu fázovej koherencie medzi záznamami potenciálu poľa v bazálnych gangliách (STN) a záznamami ECoG z kôry získanej, zatiaľ čo pacienti si prezerali nové obrázky (0–1.5 s vzhľadom na nástup stimulu; pozri Metódy STAR). Táto analýza ukázala, že úspešné kódovanie nových pamätí bolo spojené s významne vyššou fázovou koherenciou vo frekvenčnom rozsahu theta (5–10 Hz; Obrázok 4F; p <0.05; pozri legendu pre štatistiku). Tento efekt bol, podobne ako v prípade nálezu SFC, pozorovateľný iba na centrálnej sulcus +2 elektróde (Obrázok 4G). Sila signálov ECoG zaznamenaných z centrálnej elektródy sulcus +2 vykazovala výrazné zníženie výkonu v beta pásme začínajúce asi 500 ms po začiatku stimulu, čo s najväčšou pravdepodobnosťou súviselo s prípravou pohybu (Obrázok 4H). Tento pokles beta predchádzalo zvýšenie frekvencie theta frekvencie (Obrázok 4H), ktorá začala krátko po nástupe stimulu. Tento model ukazuje, že spracovanie obrazu zvyšuje silu theta oscilácií v frontálnom kortexe, čo poskytuje potenciálny mechanizmus, ktorým by SN neuróny mohli modulovať rozsah koordinácie medzi ich aktivitou a frontálnou kortikálnou theta. Tu ukážeme, že rozsah takéhoto fázového zamykania je prediktívny pre úspech kódovania pamäte, čo naznačuje, že kmitočty kmitočtového rozsahu theta koordinujú prenos informácií medzi oblasťami počas kódovania pamäte.

Diskusia

Zistili sme, že aktivita jednotlivých neurónov v ľudskej substantia nigra rozlišuje medzi novými a známymi obrazmi v hippocampovo závislej deklaratívnej pamäťovej úlohe. Okrem toho sme zistili, že stupeň koordinácie aktivity SN neurónov s osciláciami frontálnej theta frekvencie predpovedal úspešnú tvorbu pamäte. Hoci predchádzajúca práca ukazuje, že ľudské neuróny SN reagujú na chyby predikcie odmien [14] a zriedkavé zvuky v paradigme podivného lopty [16], naše údaje sú podľa našich vedomostí prvou štúdiou popisujúcou neurónovú aktivitu SN počas formovania deklaratívnej pamäte u ľudí.

Elektrofyziologické vlastnosti pamäťovo selektívnych buniek, ktoré opisujeme, naznačujú, že tieto bunky sú s najväčšou pravdepodobnosťou dopaminergné. Tento záver spočíva na dvoch údajoch: šírka ich priebehov a anatomická poloha. Dopaminergné neuróny majú podstatne širšie mimobunkové tvary v porovnaní s GABAergnými neurónmi nachádzajúcimi sa aj v SN [38, 39, 44]. Aj keď dopaminergné neuróny existujú v celom SN, väčšina sa nachádza v subregióne pars compacta SN [42, 43]. Väčšina dopaminergných neurónov by preto mala byť umiestnená v dorzálnej mediálnej časti SN, čo je oblasť, kde sme našli väčšinu MS neurónov. Tieto kritériá spoločne preukázali spoľahlivé oddelenie dopaminergných a GABAergných neurónov v SN na základe elektrofyziologických znakov samotných [38, 39, 44, 45, 46]. Konečné potvrdenie tohto tvrdenia si bude vyžadovať buď histologickú analýzu [47] alebo genetické zacielenie [38]. Tu uvádzame tieto neuróny ako zdanlivo dopaminergné, čo naznačuje, že tento záver spočíva na extracelulárnych záznamoch.

Druhou úvahou je vplyv prebiehajúcej neurodegenerácie na naše výsledky. Väčšina subjektov v štúdii mala PD, a preto utrpeli značnú stratu dopaminergných buniek v SN. Naše nahrávky však sprístupnili anatomickú oblasť, kde je dostatočná populácia dopaminergných neurónov stále funkčná aj pri PD. Dopaminergná strata PD postupuje nerovnomerne [48, 49], zacielené na niektoré oblasti silnejšie ako iné. Analýzy tkanív post mortem u pacientov s PD typicky vykazujú vysokú stratu dopaminergných neurónov v kaudálnej časti SN, pričom sa stratilo približne 90% buniek. Naopak, strata buniek vo viac dorzálnych oblastiach je miernejšia (50% alebo menej) do stupňa porovnateľného s tým, čo možno pozorovať pri normálnom starnutí [49]. Niekoľko štúdií sa úspešne podarilo zaznamenať z predpokladaných dopaminergných neurónov u pacientov s PD, ktorí podstúpili operáciu STN DBS [14, 41]. S chirurgickým cieľom v STN je rozumné očakávať, že SN záznamy budú umiestnené prevažne v dorzálnej oblasti SN. Tento predpoklad bol potvrdený analýzou našich pozícií elektród, ktoré ukázali väčšinu záznamov umiestnených v dorzálnej časti SN, kde sa očakáva, že vplyv ochorenia bude relatívne malý [49]. Nie je však známe, či PD mohla ovplyvniť priebeh zostávajúcich DA neurónov, ktoré sme zaznamenali. Hoci sme nezistili koreláciu závažnosti ochorenia s trvaním vlny (pozri Metódy STAR), táto otázka zostáva otvorenou otázkou. Nakoniec, pacienti zaradení do našej štúdie boli v podstatne skorších štádiách PD ako tí, ktorí boli zahrnutí do analýzy post mortem [48, 49], čím sa zachováva vyššia hustota dopaminergných buniek v dorzálnych oblastiach SN.

Bolo navrhnuté, že úlohou dopaminergnej modulácie procesov hipokampálnej pamäte je zvýšenie synaptickej plasticity pre dôležité udalosti, ako sú tie, ktoré sú odmeňované, v súlade s cieľmi subjektu alebo ktoré priťahujú pozornosť [9, 23]. Navrhovaná dráha pre tento signál na dosiahnutie SN / VTA je cez afferenty z nukleus accumbens (NA) a pedunculopontínového tegmentálneho jadra (PPTg), ktoré sú obidve štruktúry zapojené do sprostredkovania procesov motivácie a pozornosti [50, 51]. Ako NA, tak PPTg zase dostávajú vstupy z prefrontálneho kortexu (PFC) a hipokampu, čo im umožňuje integrovať signály o súčasných cieľoch a novinkách podnetov [23, 50, 51]. Predpokladá sa, že signály novinky z hipokampu spôsobujú uvoľňovanie dopamínu v hipokampe touto multisynaptickou cestou [9, 23]. Tu sme identifikovali predpokladané dopaminergné neuróny v SN, ktoré sú kompatibilné s touto hypotézou, pretože reagujú so zvýšením frekvencie streľby na nové stimuly. Zaujímavé je, že popri novotvorných neurónoch sme identifikovali aj menšiu skupinu predpokladaných dopaminergných neurónov, ktoré reagovali zvýšením frekvencie streľby na známe stimuly. Charakteristiky odozvy tejto skupiny neurónov boli inak podobné neurónom novosti (Obrázky 3D, 3E a 3H), s tou výnimkou, že významne nesvedčili o tom, či sa na známy stimul bude pamätať alebo na ktorý sa zabudne (nezabudnite, že je to s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobené nedostatkom štatistickej sily). Hoci tieto neuróny nie sú priamo predpovedané teoretickým modelom Lismana a Grace, je pravdepodobné, že tiež zohrávajú úlohu pri učení. Napríklad rôzne koncentrácie DA môžu viesť buď k synaptickej depresii alebo potencovaniu [52] a úrovne DA môžu kontrolovať prah dlhodobej potenciácie (LTP) / dlhodobej depresie (LTD) [53]. To naznačuje, že neuróny, ktoré zvyšujú hladinu DA pre známe podnety, by sa mohli podieľať na udržiavaní tejto homeostázy. Okrem toho majú rôzne typy dopamínových receptorov rôzne citlivosti a aktivačné prahy a sprostredkujú rôzne aspekty plasticity, vrátane kódovania verzus konsolidácie pamätí [54, 55]. Táto literatúra kombinovaná s naším zistením podporuje hypotézu, že dôverné neuróny majú úlohu v mechanizmoch plasticity, ktoré slúžia na posilnenie už zakódovaných spomienok. Budúca práca je potrebná na priame overenie tejto hypotézy.

Latencia odpovedí SN bola tiež kompatibilná s modelom Lisman a Grace, konkrétne to, že odpovede SN MS sa objavili významne neskôr v porovnaní s odpoveďami pozorovanými v MTL [33]. Tu sme zistili, že SN odpovede boli najskôr viditeľné 527 ms po nástupe stimulu, čas, ktorý bol väčší ako 311 ms interval pozorovaný v MTL [32]. Výzvou tohto porovnania je, že bol odvodený z dvoch rôznych populácií pacientov (PD a epilepsia). Naše výsledky spoločne podporujú myšlienku, že informácie o novosti stimulu pozorované v SN pochádzajú z MTL. Dôležité je, že rozsah modulácie SN buniek bol indikátorom toho, či subjekt správne rozpozná známy stimul. Tento výsledok ukazuje, že odpoveď SN buniek bola behaviorálne relevantná pre deklaratívnu pamäťovú úlohu, ktorú uskutočnili naši jedinci. Toto zistenie je tiež v súlade s ľudskými štúdiami, ktoré ukazujú, že aktivita SN fMRI-krv-kyslík-závislá (BOLD) predpovedá úspešnú tvorbu pamäte [5, 6]. Nie je však známe, aký je vzťah medzi aktivitou rôznych typov buniek v signáli SN a BOLD (pozri [56]). Na rozdiel od toho sme tu identifikovali špecifické typy SN buniek elektrofyziologicky a ukázali, že je to fázová aktivita predpokladaných DA neurónov krátko po nástupe stimulácie, ktorá je prediktívna pre tvorbu pamäte.

Zistili sme, že aktivita SN neurónov bola systematicky spojená s fázou prebiehajúcich theta oscilácií v frontálnom kortexe (merané cez premotorický kortex). Táto koordinácia bola behaviorálne relevantná, pretože rozsah fázového zamykania bol predikciou úspechu tvorby pamäte. Predpokladá sa, že oscilácie v frekvenčnom rozsahu theta koordinujú tok informácií medzi MTL, bazálnymi gangliami a frontálnym kortexom [1].27, 28, 29]. Tu teraz ukážeme, že u ľudí je SN neuronálne vypaľovanie spojené s kortikálnymi theta frekvenčnými osciláciami a že takáto koordinácia je behaviorálne relevantná pre tvorbu pamäte. Význam theta synchrónie medzi bazálnym gangiom a frontálnym kortexom bol stanovený predchádzajúcimi záznamami ľudských pacientov vykonávajúcich kognitívne úlohy [57, 58]. Je zaujímavé, že pomalá 4 Hz stimulácia STN zlepšuje výkon v kognitívnych úlohách [58]. Kľúčovou neznámou otázkou je, či teta oscilácie, ktoré sme kvantifikovali, súvisia alebo sú synchronizované s hipokampálnym theta [27, 28, 29].

Antidromická stimulácia STN evokuje krátke latentné reakcie v premotorickej kôre, ktorá je kompatibilná s „hyperdirectnou“ cestou u ľudí [59]. Existujú teda aspoň tri cesty, ktorými by informácie z MTL mohli dosiahnuť SN: (1) prostredníctvom NA a PPTg; (2) cez hyperdirect trasu; a (3) cez striatum, ktoré je prepojené s väčšinou frontálneho kortexu [60]. Táto bohatá inervácia s najväčšou pravdepodobnosťou vyvoláva funkčnú závislosť SN a frontálneho kortexu, ako bolo pozorované s použitím BOLD-fMRI [61, 62]. Taktiež aktivita BOLD v frontálnom kortexe predpovedá úspešné kódovanie nových spomienok [63], signál, o ktorom sa predpokladá, že je odrazom úlohy frontálneho kortexu (vrátane premotorických oblastí) pri uľahčovaní kódovania relevantných informácií o cieľoch a pri organizovaní viacerých informácií do individuálnej pamäte [63]. Tu teraz ukazujeme možný mechanizmus, pomocou ktorého by tieto informácie mohli ovplyvniť silu kódovania pamäte moduláciou dopaminergnej aktivity SN. Kľúčovým budúcim experimentom bude zistiť, či je SN neurónová aktivita koordinovaná aj s hipokampálnymi kmitmi theta a ako tieto kmity theta súvisia s tu nameranými kmitmi frontálnej kortikálnej theta.

Poďakovanie

Vďačne oceňujeme ochotu našich pacientov zúčastniť sa tejto štúdie. Ďakujeme pracovníkom operačného sálu Cedars-Sinai za ich pomoc, Robert Zelaya a Lori Scheinost za podporu technickej neurofyziológie a Jeffrey Wertheimer za neuropsychologické hodnotenie pacientov. Ďakujeme Ralphovi Adolfovi a všetkým členom Laboratória Rutishauser. Túto štúdiu umožnilo financovanie zo semien z nadácie Pfeiffer Foundation a neskôr ju podporili aj NIH NINDS (U01NS098961), cena NSF CAREER (BCS-1554105) a nadačný fond McKnight pre neurovedy (to všetko UR).

Príspevky od autorov

UR a JK navrhli experiment. JK, UR, KB a CPM uskutočňovali experimenty. JK a UR vykonali analýzu. ANM a KB vykonali operáciu. MT poskytovala starostlivosť o pacienta. JK, ANM a UR napísali príspevok. Všetci autori diskutovali o výsledkoch vo všetkých fázach projektu.

Vyhlásenie o záujmoch

Autori neuvádzajú žiadne konkurenčné záujmy.

Doplňujúce informácie

Dokument S1. Obrázky S1 – S4 a tabuľka S1