Novostno občutljivi dopaminergični nevroni v človeški substitutiji Nigra napovedujejo uspeh deklarativne tvorbe spomina (2018)

Slika 1

Naloge, vedenje in snemanje lokacij

(A) Poenostavljen povzetek modela Lisman-Grace.

(B) Naloga. Na vrh: zasloni, predstavljeni osebam med vzorčnim preskusom. Spodaj: dolžine časa, za katerega je bil prikazan vsak zaslon.

(C) Vedenje. Prikazana je natančnost prepoznavanja vseh sej, urejena uvrstitev. Zelene palice označujejo seje s točnostjo ob naključju; rumene vrstice označujejo seje s posnetki, lociranimi zunaj SN.

(D in E) Lokacija mest za snemanje mikroelektrod v prostoru Talairach pri Y = -16 (D) in Y = -17.2 (E). Konture kažejo na atlas izpeljane meje SN in STN [21]. Stik je obarvan z rdečo barvo, če ima vsaj en nepomični selektivni spomin (glej SN Nevroni razlikujejo med romanom in znanimi Stimuli in Analiza vrste celic) je bila posneta na tej lokaciji in modra, če ni drugače.

(F) Lokacija kortičnih posnetkov. Prikazana je srednja lokacija posnetih stikov ECoG v šestih snemanjih, za katere je bila na voljo intraoperativna rentgenska slika (glej Metode STAR). Glej Slika S2D za primer iz posameznega predmeta. Prikazani obnovljeni možgani so predlogi možganov [22].

Prikaz velike slike | Oglejte si sliko Hi-Res | Prenesite diapozitiv PowerPoint

Izbor

• Nevroni človeške substancije nigra (SN) so modulirani z novostjo dražljajev

• Pomno-selektivni nevroni v substantia nigra so verjetno dopaminergični

• Fazno zaklepanje SN nevronov do čelnih nihanj napoveduje nastanek spomina

• Potrjuje napovedi Lismanovega in Gracesovega modela VTA / SN-hipokampusove zanke pri ljudeh

Povzetek

Kodiranje informacij v dolgoročni deklarativni spomin olajša dopamin. Ta postopek je odvisen od hipokampalnih novostnih signalov, vendar ostaja neznano, kako dopaminergični nevroni srednjega možgana modulirajo informacije, ki temeljijo na deklarativnem spominu. Zabeležili smo posamezne nevrone substantia nigra (SN) in potenciale kortikalnega polja pri človeških bolnikih, ki opravljajo nalogo prepoznavanja spomina. Ugotovili smo, da je 25% SN nevronov moduliranih z novostjo dražljajev. Oblika zunajcelične valovne oblike in anatomska lokacija kažeta, da so bili ti spominsko selektivni nevroni domnevno dopaminergični. Odzivi spominsko selektivnih nevronov so se po pojavu dražljaja pojavili 527 ms, spremenili so se po enem preskusu in so bili pokazatelji natančnosti prepoznavanja. Faza SN nevronov je zaklenjena na čelna ostenjala teta-frekvence kortikalne skorje in obseg te koordinacije je napovedal uspešno tvorbo spomina. Ti podatki kažejo, da dopaminergični nevroni v človeški SN modulirajo spominski signali in dokazujejo napredovanje pretoka informacij v hipokampalno-bazalnih ganglijih-čelni skorji zanke za kodiranje spomina.

Predstavitev

Oblikovanje deklarativnih spominov temelji na sposobnosti hippokamskih sinaps, da hitro spreminjajo svojo moč skozi dolgotrajno potenciranje in depresijo [1]. Moč in trajanje sinaptične plastičnosti sta odvisna od ravni zunajceličnega dopamina [2, 3], nevromodulator, ki se v hipokampusu sprosti iz aksonskih terminalov, ki štrlijo iz dopaminergičnih nevronov v substantia nigra (SN) in ventralno tegmentalno območje (VTA) [4]. Moč deklarativnih spominov hipokampola se modulira s sproščanjem dopamina: tako obseg aktivacije SN / VTA [5, 6] in ravni dopamina v hipokampusu [2, 7] modulirajo uspešnost kodiranja. Ko so živali izpostavljene novim okoljem, se raven dopamina v hipokampusu poveča in olajša dolgotrajno potenciranje. Ta izboljšan pomnilnik za nova okolja pa se izgubi, ko so blokirani receptorji za hipokampalni dopamin [8]. Čeprav ta in druga opažanja kažejo na kritično vlogo dopamina, ki ga sproščajo nevroni SN / VTA v deklarativnem spominu [9, 10, 11], osnovni mehanizmi, ki urejajo ta odziv, so slabo razumljeni.

Preučevanje, kako dopaminergični nevroni SN / VTA signalizirajo napake pri nagrajevanju in nagrajevanju [12, 13, 14] je razkril mehanično razumevanje vloge SN / VTA v klasičnem kondicioniranju in okrepljenem učenju [15]. Poleg tega se pri ljudeh SN nevroni odzivajo tudi na redke zvoke v paradigmi nenavadnih kroglic [16] in kodirajo izide odločitve [17]. Nasprotno pa se o vlogi SN / VTA pri pridobivanju deklarativnih spominov malo ve. Čeprav se SN dopaminergični nevroni med kondicioniranjem odzivajo na nove dražljaje [13, 18, 19, 20], med deklarativnimi spominskimi nalogami ne obstajajo posnetki SN nevronov. Zato še vedno ni znano, ali se SN nevroni ločijo od znanih dražljajev in ali je taka aktivacija povezana z uspehom kodiranja spomina.

Predlagano je, da dopaminergični sistem in hipokampus tvorita multisinaptično zanko, ki se začne s hipokampnim novostnim signalom, ki prehodno vzbudi dopaminergične nevrone v SN / VTA, kar posledično vodi v krepitev plastičnosti hipokampala z aktiviranjem hipokampalnih receptorjev dopamina (Slika 1A) [9, 23]. Čeprav se izvirna hipoteza nanaša tako na SN kot na VTA, je naš poudarek le na SN-ju in zato naslednjo razpravo omejimo na napovedi, pomembne za SN. Razprave tudi ne omejujemo na dopaminergične SN nevrone, ker GABAergični nevroni posledično zavirajo dopaminergične (DA) nevrone [24], zaradi česar je njihov odgovor enako pomemben za hipotezo. Hipoteza o hipokampusu-SN / VTA [9, 23] daje tri posebne napovedi glede deklarativnih spominov: najprej napoveduje, da aktivnost SN nevronov modulira z novostjo dražljajev med nalogami deklarativnega spomina. Drugič, predvideva, da se ta modulacija glede na pojav dražljaja pojavi najprej v hipokampusu, ki mu sledi SN. Tretjič, če je pomembna za deklarativni spomin, bi morala aktivnost SN med novimi dražljaji napovedovati uspeh ali neuspeh oblikovanja spomina, kot je ocenjeno s poznejšim vedenjem. Tu preizkušamo te tri napovedi neposredno pri ljudeh, tako da zabeležimo aktivnost posameznih SN nevronov in njihovo aktivnost povežemo z vedenjsko ocenjeno močjo spomina.

Naši subjekti so opravili prepoznavno spominsko nalogo, za katero smo mi in drugi opisali novosti, ki signalizirajo nevrone v človeškem hipokampusu [25]. V kolikšni meri se ti spominsko selektivni nevroni modulirajo s stalnimi nihanji theta, napovedujejo uspeh ali neuspeh tvorbe spomina [26]. Šteje se, da je dopamin bistven za uspeh oblikovanja spomina pri tej nalogi, zato se postavlja vprašanje, ali aktivnost nevronov SN dodatno usklajujejo nenehna nihanja theta. Tetafrekvenčna in druga nizkofrekvenčna nihanja so ključna pri usklajevanju pretoka informacij med kortikalnim in podkortikalnim območjem [27, 28, 29], vključno s SN / VTA, hipokampusom in skorjo. Vendar še vedno ni znano, ali koordinacija nevronske aktivnosti med nevroni SN in skorjo igra tudi vlogo pri deklarativnem tvorjenju spomina. Tu smo hkrati zabeležili aktivnost SN nevronov skupaj s potenciali kortikalnega polja preko čelnega režnja, da bi ocenili, ali je aktivnost SN nevronov usklajena s kortikalno aktivnostjo in ali takšna koordinacija napoveduje uspeh tvorbe spomina.

Rezultati

Naloga in vedenje

Predmeti 23 (seje 28; glejte Tabela S1), pri katerem je bila implantacija naprave za globoko možgansko stimulacijo (DBS) v subtalamičnem jedru (STN) za zdravljenje bodisi Parkinsonove bolezni (PD) bodisi esencialnega tremorja, je opravljala spominsko stalno spominsko nalogo. Dve seji snemanja sta bili izključeni, ker so subjekti izvajali naključno, in tri seje izključeni, ker so bili posnetki narejeni zunaj SN-ja (glej Številke 1D in 1E). Tako so za analizo ostale seje 23.

Predmeti so bili pozvani, naj si ogledajo zaporedje slik in vsako sliko prepoznajo kot novo ali znano (Slika 1B). Preiskovanci so pritisnili na gumb "novo" ali "staro", da so odgovorili (identiteta gumba je bila sredi poskusa obrnjena). Vsaka slika je bila predstavljena do trikrat. Prva predstavitev se imenuje „roman“, preostali dve predstavitvi pa kot „znani“. Preiskovanci so se dobro odrezali s povprečno natančnostjo prepoznavanja 82% (± 8%, ± SD; Slika 1C). Tudi predmeti so nadaljevali učenje, kar dokazuje znatno povečanje uspešnosti med drugo znano predstavitvijo (87% ± 13%) v primerjavi s prvo (74% ± 12%, t [22] = 5.62, p = 0.0005, permutacija v paru t preskus). Za analizo so bili uporabljeni samo pravilni poskusi, razen če ni navedeno drugače. Mediana časa med začetkom zaslona z vprašanji in pritiskom gumba je bila 0.69 ± 0.99 s, brez pomembne razlike v reakcijskem času med novimi (1.12 ± 1.06 s) in znanimi odzivi (1.05 ± 0.90 s, t [22] = 1.17, p = 0.26, preskus v paru s permutacijo). Posnetki, ki smo jih uporabili, so spadali v eno od treh različnih vizualnih kategorij (živali, pokrajine in sadje). V reakcijskem času ni bilo pomembnih razlik kot funkcije vizualne kategorije (enosmerna permutacija ANOVA: F [2,44] = 2, p = 0.13). Ti vedenjski podatki skupaj kažejo, da so bolniki nalogo opravili natančno. Predoperativno testiranje nevropsiholoških ocen je bilo skladno s tem opažanjem (glej Tabela S1).

Elektrofiziologija

Identificirali smo 66 dobro izolirane domnevne posamezne nevrone, posnete iz SN. Številke 1D in 1E prikazujeta lokacije vseh snemalnih mest v prostoru Talairach, določena iz stereotaktičnih koordinat (glej tudi Metode STAR in Številke S2E in S2F). Nevroni so bili dobro izolirani, ko jih je kvantitativno ocenjeval z uporabo metrike kakovosti sortiranja konic (Slika S1). V celotnem rokopisu izraze nevrona, enote in celice uporabljamo zamenljivo, da bi se nanašali na domnevni posamezni nevron. Iz vsake mikroelektrode smo zabeležili tudi potenciale polja z uporabo kontakta elektrode z nizko impedanco, ki se nahaja 3 mm nad konico mikroelektrode (Slika S2A). Poleg tega smo posneli kortikalne površinske (elektrokortikografske [ECoG]) signale z uporabo subduralne elektrode, ki je postavljena vzdolž hrbtne prednje parietalne možganske površine, ki sega prednji in zadnji do osrednjega sulkusa (Številke S2B – S2D). Locirali smo položaj elektrode ECoG in z njimi povezana kortikalna območja s kombinacijo intraoperativnega slikanja in mediane živčne stimulacije (glejte Metode STAR in Številke S2C in S2D). Mediana lokacije vseh posnetkov ECoG je prikazana v Slika 1F.

SN Nevroni se odzovejo na vizualne stimule

Najprej smo preizkusili, ali so nevroni spremenili hitrost streljanja kot odziv na začetek slike, ko smo preučili vse poskuse skupaj, ne glede na novost / seznanjenost (glej Metode STAR). Ugotovili smo, da 14/66 (21.2%, p = 0.002 v primerjavi z ničelno porazdelitvijo; Slika 2A) nevronov je spremenil hitrost streljanja kot odgovor na pojav slike (primerjava konic v oknu 0–1.5 s po nastopu dražljaja z oknom –0.5–0 s pred nastopom dražljaja). Od teh nevronov, ki se odzivajo na sliko, jih je pet povečalo stopnjo streljanja glede na izhodišče (primer nevrona, prikazanega v Slika 2C) in 9 sta zmanjšala hitrost streljanja (primer nevrona, prikazanega v Slika 2D). Nevroni, ki so povečali hitrost streljanja, so se odzvali bistveno hitreje kot tisti, ki so zmanjšali hitrost streljanja (224.8 ± 138.5 ms v primerjavi s 426 ± 141.9 ms, t [12] = 2.58, p = 0.03, permutirani t test; glej Slika 2B).

Na mnogih področjih človeških možganov se nevroni razlikujejo med vidnimi kategorijami [30]. Nato smo nato vprašali, ali se odziv SN nevronov razlikuje med tremi različnimi vizualnimi kategorijami (živali, pokrajine in sadje) slik. Nismo našli dokazov za nevrone kategorije SN: enosmerna permutacija ANOVA ni razkrila pomembnega števila nevronov, uglašenih na vizualno kategorijo (N = 6, 9.1%, p = 0.16; Slika 2A). V nasprotju z medialnim časovnim repom (MTL) [30], v SN nismo našli signala vizualne kategorije.

SN Nevroni razlikujejo med romanom in znanimi Stimuli

Nato smo preizkusili, ali so SN nevroni signalizirali, da je dražljaj nov (prikazan prvič) ali znan (prikazan drugi ali tretjič). Tu govorimo o takih nevronih kot nevroni, ki so selektivni za spomin (MS) [25]. Testirali smo, ali je odziv SN nevronov pokazal ta vzorec s primerjavo odzivov nevronov po pojavu dražljaja med novimi in znanimi preskušanji. Najprej smo se osredotočili na podskupino, ki je imela večjo stopnjo streljanja novih v primerjavi z znanimi dražljaji (glej Metode STAR). Identificirali smo takšne nevrone 11 (Številke 3A – 3C; 16.6%, p = 0.002, v primerjavi z ničelno porazdelitvijo; Poglej tudi Slika S3A). To podskupino MS nevronov imenujemo "novost" nevronov. Ta razlika v odzivu med novimi in znanimi dražljaji je bila že očitna, ko je bila slika videti drugič (Slika 3D, sredina). Odziv je ostal, vendar se pri primerjavi druge in tretje predstavitve iste slike ni nadalje okrepil (t [10] = 1.36, p = 0.21, permutirani parni t test; glej Slika 3D, desno). Poleg tega razlika v odzivu med novimi in znanimi dražljaji ni bila odvisna od zakasnitve med dvema zaporednima predstavitvama iste slike (F [3,30] = 0.22, p = 0.88, enosmerna permutacija ANOVA; glej Slika 3E).

Nato smo preizkusili, ali drugi SN nevroni povečajo stopnjo streljanja kot odziv na znane slike. Ugotovili smo, da je 6 nevronov (9%, p = 0.01 v primerjavi z ničelno porazdelitvijo; glej tudi Slika S3B) je pokazala znaten porast za znane v primerjavi z novimi slikami. Podobno kot pri nevronih novosti se tudi odziv takšnih "poznavalnih" nevronov ni nadalje spreminjal med drugo in tretjo predstavitvijo iste slike (t [5] = 0.7, p = 0.06; Slika 3D) in ni bila modulirana glede na dolžino zakasnitve med zaporednimi predstavitvami iste slike (F [3,15] = 2.12, p = 0.14; Slika 3E). Ti podatki skupaj kažejo, da je stopnja streljanja znatnega deleža nevronov SN (16.6% in 9.0%; Slika 3A) so bile modulirane z novostjo ali poznavanjem slik v deklarativni spominski nalogi. Pomembno je, da je bila ta sprememba odziva vidna po enem samem učnem preskusu (Slika 3D) tako za novosti kot za nevrone poznavanja.

Novost in poznavanje nevronov 17 označujemo skupaj z MS nevroni (Slika 3A). 4 MS nevroni so bili tudi kvalificirani kot slikovno odzivni nevroni (tj. Pokazali so spremembo hitrosti streljanja za vse preskuse, obravnavane skupaj; glej Slika 2). Razlog za to majhno prekrivanje je odsotnost odziva na neželeno kategorijo dražljajev. Da bi to pokazali, smo primerjali stopnjo streljanja samo novih ali znanih preskusov (odvisno od vrste preskušanja, na katero je bil nevron občutljiv) z osnovno stopnjo streljanja. To je razkrilo, da so imele MS celice med predstavitvijo slike znatno višjo hitrost streljanja (0–1.5 s, 7.23 ± 17.9 Hz) v primerjavi z izhodiščem (–0.5–0 s, 6.2 ± 20.9 Hz, t [16] = 1.38, p = 0.042 , permutirani parni t test), vendar le za želeno vrsto preskušanja (novo ali znano; upoštevajte, da to ni z izbiro, ker pri izbiri MS nevronov ni upoštevana izhodiščna hitrost streljanja).

Izvedli smo dodatne krmilne analize, da bi preverili, ali ta spominski signal ni posledica drugih dejavnikov, kot so nagibanje elektrode ali počasne spremembe hitrosti vžiga. Najprej smo preverili, da v izhodiščnem obdobju ni bilo podobnih razlik: niti novomeški MS niti nevroni tipa poznavanja niso pokazali takšne razlike (Slika 3D, levo; ni bistveno drugačen kot 0 za nevrone novosti [t [10] = 0.07, p = 0.94] in znane nevrone [t [5] = 0.58; p = 0.54]). Preizkusili smo tudi, koliko MS nevronov bi bilo izbranih, če bi za izbiro uporabili izhodiščno obdobje (-0.5–0 s) in ne obdobje po dražljaju. Ta analiza je razkrila le 1 (1.5%) od 66 enot s pomembno razliko med novimi in znanimi slikami. Na koncu smo z regresijskim modelom z mešanimi učinki ugotovili dejavnike, ki pojasnjujejo varianco v hitrosti streljanja MS nevronov. Kot napovedovalci smo uporabili poznavanje slike in številko preskusa (plus ID nevronske skupine je bil uporabljen kot naključni učinek). Ta analiza je pokazala, da je bil regresor poznavanja slike pomemben tudi po upoštevanju učinkov poskusne številke in je bil veliko močnejši od regresorja poskusnega števila za oba tipa MS nevronov (novosti nevronov: t [864] = 8.95, p <1e − 30 za nove / stari regresor v primerjavi s t [864] = 1.67; p = 0.09 za regresorja poskusne številke; nevroni poznavanja: t [501] = 7.24, p <1e − 12 za novega / starega regresorja v primerjavi s t [501] = 3.67, p = 0.0002 za regresor številke preizkusa). Na koncu pa še to, da smo med poskusom naključno mešali nove in znane dražljaje. Te kontrolne analize skupaj potrjujejo, da razlike v odzivih ni mogoče pripisati premikom elektrod.

SN MS Nevroni napovedujejo vedenje

Nato smo raziskali, ali je bil odziv nevronov MS (preizkušen ločeno za nevrone, ki dajejo prednost novostim in poznavanju) povezan s spominom, tako da smo ocenili, ali je njihov odziv sovpadal z vedenjem osebe. Natančneje, nevralne odzive smo primerjali z znanimi dražljaji (tistimi, ki so bili že vsaj enkrat prikazani), ki so si jih bolniki pravilno zapomnili (odgovor »star«), in tistimi, ki so jih pomotoma pozabili (odgovor »nov«). Vedenjsko so se bolniki dobro izkazali: spomnili so se (resnična pozitivna stopnja) 74% slik med prvo ponovitvijo ("znana 1") in 87% po drugi ponovitvi ("znana 2"). Ugotovili smo, da je bil odziv novonastalih celic med preskusi znatno oslabljen, saj so bile znane slike pomotoma ocenjene kot nove v primerjavi s takrat, ko so bile pravilno ocenjene kot znane, z razliko hitrosti streljanja 0.36 ± 0.36 Hz za napačne in 0.60 ± 0.24 Hz za pravilne preskuse (glej Slika 3F; t [11] = 2.72, p = 0.02, permutirani parni t test; uporabljena metrika je bila razlika v hitrosti streljanja med tem, ko je bila slika nova in znana, normalizirana z osnovno hitrostjo streljanja). Za to primerjavo smo izključili preskuse, pri katerih je bila začetna predstavitev novega zapisa nepravilna (lažno pozitivna), zato je bilo ugotovljeno razliko mogoče pripisati le pozabljenim slikam (lažnim negativom). Vendar se je odziv na pozabljene znane dražljaje, čeprav manjši, vseeno bistveno razlikoval od nič (Slika 3F; t [11] = 3.98, p = 0.002, permutirani t test). Ta analiza skupaj kaže, da je odziv novonastalih nevronov kazal, ali se bo znani dražljaj zapomnil ali pozabil. Za nevrone, ki povečajo hitrost streljanja (n = 6) do znanih slik, je bila ta korelacija vedenjsko-nevronske aktivnosti kvantitativno podobna, vendar ni bila pomembna (Slika 3F; t [5] = 2.31, p = 0.056).

Latenca odziva

Kako hitro se je po pojavu dražljaja odziv MS SN nevronov razlikoval med novimi in znanimi slikami? Da bi odgovorili na to vprašanje, smo nato ocenili prvo točko, v kateri so se odgovori med novimi in znanimi podobami razlikovali. Primerjali smo kumulativno vsoto končnih vlakov, metodo, ki z visoko natančnostjo ocenjuje diferenčno latenco nevrona [31]. Ugotovili smo, da je bila povprečna diferenčna zakasnitev 527 ms po nastopu slike (Slika 3G). To zakasnitev smo primerjali z zakasnitvijo MS nevronov (n = 122), zakodiranih v MTL, med podobno novo / staro nalogo prepoznavanja pri drugi populaciji bolnikov [32, 33]. MS nevroni v MTL so imeli povprečno diferencialno zakasnitev 311 ms, kar je bilo bistveno hitreje v primerjavi s SN (p = 0.013, ocenjeno na podlagi empirično ocenjene ničelne porazdelitve, za katero so bile naključno dodeljene oznake površin). Ta rezultat je bil resničen tudi pri obravnavi nevronov MS, ki so ločeno povečali stopnjo streljanja na novost in znane dražljaje (p = 0.002 oziroma p = 0.002, nevroni v primerjavi z n = 64 novosti in n = 58 nevroni, ki poznajo MTL). Ta vrstni red odzivov je združljiv z Lismanovim in Graceovim modelom interakcije med hipokampusom in VTA / SN [9].

Analiza vrste celic

SN vsebuje dve glavni vrsti nevronov: zaviralni GABAergični nevroni in dopaminergični nevroni, ki štrlijo na oddaljene tarče, vključno s striatumom, amigdalo in hipokampusom [4, 34, 35, 36]. Z uporabo zunajceličnih posnetkov lahko različne vrste celic pogosto ločimo na podlagi kombinacije širine valovite oblike zunajceličnega konice in povprečne hitrosti streljanja [37]. Zlasti v SN je znano, da imajo dopaminergični nevroni širše valovne oblike in nižjo hitrost streljanja v primerjavi z GABAergičnimi nevroni [38, 39], kar ima za posledico bimodalno porazdelitev širine valovne oblike po vseh nevronih. Ugotovili smo, da je bila po vseh zabeleženih nevronih (N = 66) porazdelitev širin konic bimodalna (Hartiganova statistika padca: 0.0717, p = 0.006 [40]; glej Številke 3H in 3I). Nato smo nato raziskali, ali so MS nevroni prednostno določenega tipa celice. Ugotovili smo, da so bile za MS nevrone v povprečju značilne daljše valovne oblike v primerjavi z nevronskimi nevroni (1.15 ± 0.23 ms v primerjavi z 0.96 ± 0.32 ms; dolžina valovne oblike je bila izmerjena kot čas, ki je pretekel med obema pozitivnima vrhovima [14] valovne oblike; t [65] = 2.65, p = 0.012, test permutacije t; Številke 3H in 3I). Poleg tega so MS nevroni izpolnjevali merila za DA nevrone, določene s prejšnjim delom: 15/17 MS nevroni so imeli valovne oblike daljše od 0.8 ms in hitrost streljanja pod 15 Hz [14, 41]. Ugotovili smo tudi, da so bila mesta snemanja, kjer so bili identificirani nevroni MS, pretežno v hrbtnih delih SN (Številke 1D in 1E). Ti rezultati so skladni z lokacijo pars compacta, v kateri se nahaja večina dopaminergičnih nevronov [42, 43]. Te analize skupaj podpirajo stališče, da so bili nevroni MS, ki smo jih identificirali, domnevno dopaminergični.

SN-Cortex interakcije

Je bila aktivnost nevronov SN povezana s potencialno aktivnostjo polja iz bazalnih ganglijev in / ali kortikalne površine? Za odgovor na to vprašanje smo količinsko opredelili interakcije med špičastim poljem in uporabili koherenco polja koničnosti (SFC). Prvič, SFC med SN nevroni in poljskimi potenciali, zabeleženimi v bazalnih ganglijih (STN), je bil v theta-frekvenčnem pasu bistveno več kot možnost (Slika 4A, leva plošča; pomembno pri p <0.05 v 2–5 Hz pri vseh N = 56 nevronih z dovolj konic). Upoštevajte, da je bil tukaj potencial polja najverjetneje zabeležen s STN in ne SN zaradi lege snemalnega kontakta 3 mm nad konico mikroelektrode (glej Metode STAR in Slika S2A). Drugič, aktivnost nevronov SN je bila usklajena tudi s potenciali kortikalnega polja: SN nevroni so v nekaterih fazah teta in alfa frekvenčnega pasu ECoG signalov, zabeleženih s površine korteksa, raje bolj streljali (SFC se je v 6-12 Hz bistveno razlikoval) frekvenčni pas, N = 61, p <0.05; Slika 4A, desna plošča; glej legendo za statistiko; Poglej tudi Slika S4 za vse elektrode). To je veljalo le za en par ECoG stikov, ki se nahajajo pred osrednjo brazdo (označeni kot +2; drugi stiki niso bili pomembni; glej Slika S4). Stiki +2 ECoG so bili nameščeni na zgornjem čelnem girusu na območju Brodmanna 6 (premotorna skorja). Ta ugotovitev kaže, da je nevronska aktivnost SN funkcionalno povezana s to regijo čelnega režnja (glej Razprava). Nato smo preizkusili, ali je bila ta funkcionalna povezava vedenjsko pomembna, če primerjamo svojo moč med novimi preizkušnjami, ki so se jih kasneje spomnili, z novimi preizkušnjami, ki so bile pozneje pozabljene.

Na podlagi predhodnih raziskav in napovedi modelov [26] smo domnevali, da obseg skladnosti poljskega polja med kodiranjem novih slik napoveduje, ali bi subjekti uspešno kodirali nov spomin ali ne. Za preizkus te hipoteze smo primerjali SFC med ogledom novih slik med poskusi, ki so si jih kasneje zapomnili pravilno, in poskusi, ki so bili pozneje pozabljeni (tj. Identificirani kot novi). Ta primerjava zaradi spomina je pokazala, da je slike, ki so si jih zapomnili, spremljal višji SFC v frekvenčnem območju theta za ECoG, merjene pred centralnim sulkusom med kodiranjem (N = 58 nevronov, 3–9 Hz, p <0.05; Slika 4B, desna plošča; glej legendo za statistiko). Upoštevajte, da ta izračun vključuje samo preizkuse, med katerimi je bila slika prvič vidna (roman) in je bila oseba pravilno označena kot »nova«. Zato je bil odziv vedno enak (»nov«), razen možnosti, da je bila ta razlika posledica razlik v načrtovanju motorjev. Podobno kot pri SFC, ki upošteva vsa preskušanja, je bila ta razlika pomembna le za potenciale polja, zabeležene iz sprednjega +2 stika, ki se nahaja na premotorni skorji (osrednji sulkus +2; Slika 4B; Številke 4C in 4D prikazujeta primer povprečnega sproženja nevronskega SFC in trna). Podobnega razmerja s posnetki potencialnih polj iz bazalnih ganglij nismo opazili (STN; Slika 4B, leva plošča; vsi p> 0.05). Kot nadzor smo primerjali tudi moč ECoG med obema pogojema, vendar nismo ugotovili bistvenih razlik (Slika 4E; vsi p> 0.05). To skupaj kaže, da je obseg dolgoročnega SFC med nevronsko aktivnostjo SN in potencialno aktivnostjo čelnega kortikalnega polja, zabeleženim iz premotorne skorje, napovedal uspešno oblikovanje spomina.

Kako bi bilo mogoče doseči to koordinacijo konic / terenov na dolge razdalje? Da bi odgovorili na to vprašanje, smo nato izvedli analizo fazne skladnosti med posnetki potencialnega polja v bazalnih ganglijih (STN) in posnetki ECoG iz skorje, pridobljenimi med gledanjem novih slik (0–1.5 s glede na začetek dražljaja; glej Metode STAR). Ta analiza je pokazala, da je bilo uspešno kodiranje novih spominov povezano z bistveno višjo fazno koherenco v frekvenčnem območju theta (5–10 Hz; Slika 4F; p <0.05; glej legendo za statistiko). Podobno kot pri ugotovitvi SFC je bil ta učinek opazen le na osrednji elektrodi sulkusa +2 (Slika 4G). Moč signalov ECoG, zabeleženih z osrednje elektrode sulkus +2, je pokazala opazno zmanjšanje moči beta pasu, ki se je začelo približno 500 ms po nastopu dražljaja, kar je bilo najverjetneje povezano s pripravo gibanja (Slika 4H). Temu zmanjšanju beta je sledilo povečanje frekvence theta (Slika 4H), ki se je začel kmalu po nastanku dražljajev. Ta vzorec kaže, da obdelava slike poveča moč nihanja theta v čelni skorji, kar zagotavlja potencialni mehanizem, s katerim bi SN nevroni lahko modulirali obseg koordinacije med svojo aktivnostjo in čelno kortikalno teto. Tukaj prikazujemo, da obseg takšnega zaklepanja faz napoveduje uspeh kodiranja pomnilnika, kar kaže na to, da nihanja theta frekvenčnega območja usklajujejo prenos informacij med območji med kodiranjem pomnilnika.

Razprava

Ugotovili smo, da aktivnost posameznih nevronov v človeški substanci nigra razlikuje med novimi in znanimi podobami v deklarativni nalogi, ki je odvisna od hipokampa. Poleg tega smo ugotovili, da stopnja usklajenosti aktivnosti SN nevronov s čelnimi oscilacijami prednjih frekvenc napoveduje uspešno oblikovanje spomina. Čeprav prejšnje delo kaže, da se človeški nevroni SN odzivajo na napake napovedovanja nagrad [14] in redki zvoki v paradigmi nenavadnih kroglic [16], naši podatki so po našem znanju prva študija, ki opisuje aktivnost nevronov SN med deklarativnim oblikovanjem spomina pri ljudeh.

Elektrofiziološke lastnosti spominskih selektivnih celic, ki jih opisujemo, kažejo, da so te celice najverjetneje dopaminergične. Ta sklep temelji na dveh podatkih: širini njihovih valovnih oblik in anatomskem položaju. Dopaminergični nevroni imajo občutno širše zunajcelične valovne oblike v primerjavi z GABAergičnimi nevroni, ki se nahajajo tudi v SN [38, 39, 44]. Čeprav dopaminergični nevroni obstajajo v celotni SN, se večina nahaja v podregiji pars compacta SN [42, 43]. Večina dopaminergičnih nevronov naj bi se zato nahajala v dorzalno-medialnem delu SN, to je območje, kjer smo našli večino MS nevronov. Skupaj so pokazali, da so ta merila zanesljivo ločila dopaminergične in GABAergične nevrone v SN na podlagi samo elektrofizioloških značilnosti [38, 39, 44, 45, 46]. Za dokončno potrditev te trditve bo potrebna bodisi histološka analiza [47] ali genskega ciljanja [38]. V tem primeru omenjamo te nevrone kot domnevno dopaminergične, da bi navedli, da ta zaključek temelji samo na zunajceličnih posnetkih.

Drugi premislek je vpliv tekoče nevrodegeneracije na naše rezultate. Večina preiskovancev v študiji je imela PD in je zato utrpela znatno izgubo dopaminergičnih celic v SN. Vendar pa so naši posnetki dostopali do anatomskega območja, kjer zadostna populacija dopaminergičnih nevronov še vedno deluje tudi v PD. Dopaminergična izguba pri PD napreduje neenakomerno [48, 49], ki cilja na nekatera območja strožje kot druga. Obdukcijske analize tkiv pri bolnikih s PD običajno kažejo visoko izgubo dopaminergičnih nevronov v kaudalnem delu SN, izgubljenih je približno 90% celic. Nasprotno pa je izguba celic na bolj hrbtnih območjih zmernejša (50% ali manj) do stopnje, ki je primerljiva s stopnjo, ki jo lahko opazimo pri normalnem staranju [49]. Dejansko je več raziskav uspelo zabeležiti domnevne dopaminergične nevrone pri bolnikih s PD, ki so bili podvrženi operaciji STN DBS [14, 41]. S kirurškim ciljem v STN je smiselno pričakovati, da bodo posnetki SN locirani pretežno na hrbtnem predelu SN. To domnevo je potrdila analiza naših položajev elektrod, ki je pokazala večino posnetkov v hrbtnem delu SN, kjer naj bi bil vpliv bolezni razmeroma majhen [49]. Neznano pa je, ali bi PD lahko vplival na valovne oblike preostalih nevronov DA, ki smo jih zabeležili. Čeprav nismo zaznali povezave resnosti bolezni s trajanjem valov (glej) Metode STAR), to vprašanje ostaja odprto vprašanje. Nazadnje so bili pacienti, vključeni v našo raziskavo, v precej zgodnejših fazah PD kot tisti, ki so bili vključeni v post mortem analizo [48, 49], zato ohranjamo večjo gostoto dopaminergičnih celic na hrbtnih območjih SN.

Predlagano je, da je vloga dopaminergične modulacije procesov spomina hipokampa povečati sinaptično plastičnost za pomembne dogodke, kot so tisti, ki se obrestujejo, usklajujejo s cilji osebe ali pritegnejo pozornost [9, 23]. Predlagana pot, da ta signal doseže SN / VTA, je prek aferentov iz nukleus accumens (NA) in pedunculopontine tegmentalnega jedra (PPTg), ki sta obe strukturi, ki sodelujeta v posredovanju motivacijskih in pozornih procesov [50, 51]. Tako NA kot PPTg prejemata vhode iz predfrontalne skorje (PFC) in hipokampusa, kar jim omogoča integracijo signalov o trenutnih ciljih in novosti dražljajev [23, 50, 51]. Domnevalo se je, da signali hipokampalne novosti povzročajo sproščanje dopamina v hipokampusu po tej multisinaptični poti [9, 23]. Tu smo opredelili domnevne dopaminergične nevrone znotraj SN, ki so združljivi s to hipotezo, saj se na nove dražljaje odzivajo s povečanjem hitrosti streljanja. Zanimivo je, da smo poleg novostnih nevronov prepoznali tudi manjšo skupino domnevnih dopaminergičnih nevronov, ki so se s povečanjem hitrosti streljanja odzvali na znane dražljaje. Značilnosti odziva te skupine nevronov so bile sicer podobne novostnim nevronom (Številke 3D, 3E in 3H), z izjemo, da niso bistveno nakazovali, ali bo znan dražljaj zapomnjen ali pozabljen (vendar upoštevajte, da je to najverjetneje posledica pomanjkanja statistične moči). Teoretični model Lisman in Grace sicer teh nevronov ne predvideva neposredno, verjetno pa imajo tudi vlogo pri učenju. Na primer, različne koncentracije DA lahko vodijo do sinaptične depresije ali potenciranja [52] in ravni DA lahko nadzorujejo prag za dolgoročno potenciranje (LTP) / dolgotrajno depresijo (LTD) [53]. To nakazuje, da bi lahko nevroni, ki zvišujejo nivo DA za znane dražljaje, sodelovali pri vzdrževanju te homeostaze. Poleg tega imajo različne vrste dopaminskih receptorjev različno občutljivost in aktivacijski prag ter posredujejo različne vidike plastičnosti, vključno s kodiranjem in utrjevanjem spominov [54, 55]. Ta literatura skupaj z našo ugotovitvijo podpira hipotezo, da imajo nevroni seznanjenosti vlogo v mehanizmih plastičnosti, ki krepijo že zakodirane spomine. Za neposredno preizkušanje te hipoteze je potrebno prihodnje delo.

Zakasnitev odzivov SN je bila združljiva tudi z modelom Lisman in Grace, in sicer da so se odzivi SN MS pojavili bistveno kasneje v primerjavi s tistimi, ki so jih opazili v MTL [33]. Tu smo ugotovili, da so bili SN odzivi prvič vidni 527 ms po nastopu dražljaja, čas, ki je bil večji od intervala 311 ms, opaženega v MTL [32]. Prednost te primerjave je, da je izhajala iz dveh različnih populacij bolnikov (PD in epilepsije). Naši rezultati skupaj podpirajo idejo, da podatki o novostih spodbujevalcev, opaženi v SN, izvirajo iz MTL. Pomembno je, da je obseg modulacije SN celic pokazal, ali bo subjekt pravilno prepoznal znani dražljaj. Ta rezultat kaže, da je bil odziv SN celic vedenjsko pomemben za deklarativno spominsko nalogo, ki so jo izvajali naši subjekti. Ta ugotovitev je tudi v skladu s študijami na ljudeh, ki kažejo, da aktivnost SN fMRI v krvi in ​​kisiku (BOLD) napoveduje uspešno oblikovanje spomina [5, 6]. Vendar še vedno ni znano, kakšen je odnos med aktivnostjo različnih vrst celic v SN-ju in signalom BOLD (vendar glejte [56]). V nasprotju s tem smo tukaj elektrofiziološko identificirali specifične vrste celic SN in pokazali, da je fazna aktivnost domnevnih nevronov DA kmalu po nastanku dražljaja napovedna za nastanek spomina.

Opazili smo, da je bila aktivnost SN nevronov sistematično povezana s fazo tekočih nihanj theta v čelnem korteksu (merjeno preko premotorne skorje). Ta koordinacija je bila vedenjsko pomembna, saj je obseg zaklepanja faz napovedoval uspeh oblikovanja spomina. Šteje se, da oscilacije v frekvenčnem območju theta usklajujejo pretok informacij med MTL, bazalnimi gangliji in čelno skorjo [27, 28, 29]. Tukaj zdaj prikazujemo, da je pri ljudeh streljanje nevronskih SN povezano pri nihanjih kortikalne theta frekvence in da je takšno usklajevanje vedenjsko pomembno za oblikovanje spomina. Pomembnost sinteze theta med bazalnimi gangliji in čelno skorjo je bila določena s prejšnjimi posnetki človeških bolnikov, ki izvajajo kognitivne naloge [57, 58]. Zanimivo je, da počasna stimulacija STN s 4 Hz izboljša učinkovitost kognitivnih nalog [58]. Ključno neznano vprašanje je, ali so nihanja theta, ki smo jih količinsko opredelili, povezana ali sinhronizirana s hipokampalno teto [27, 28, 29].

Antidromska stimulacija STN sproži kratke latencijske odzive v koru premotorja, kar je združljivo s "hiperdirektno" potjo pri ljudeh [59]. Tako obstajajo vsaj tri poti, po katerih bi lahko informacije iz MTL prispele do SN: (1) prek NA in PPTg; (2) preko poti hiperdirekta; in (3) skozi striatum, ki je povezan z večino čelne skorje [60]. Ta bogata inervacija najverjetneje povzroči funkcionalno odvisnost SN in čelne skorje, kot jo opazimo z uporabo BOLD-fMRI [61, 62]. Tudi BOLD aktivnost v čelnem korteksu napoveduje uspešno kodiranje novih spominov [63], signal, za katerega se misli, da je odraz vloge čelne skorje (vključno z območji premotorja) pri omogočanju kodiranja informacij, pomembnih za cilj, in pri organizaciji več informacij v posamezni spomin [63]. Tukaj prikazujemo možen mehanizem, s katerim bi take informacije lahko vplivale na moč kodiranja pomnilnika z moduliranjem dopaminergične SN aktivnosti. Ključni prihodnji eksperiment bo ugotoviti, ali je aktivnost SN nevronov usklajena tudi s hipotampalnimi theta nihanji in kako so ta teta nihanja povezana s tu izmerjenimi oscilacijami čelnih kortikalnih teta.

Priznanja

S hvaležnostjo priznavamo pripravljenost naših pacientov za sodelovanje v tej raziskavi. Zahvaljujemo se osebju operacijske dvorane Cedars-Sinai za pomoč, Robertu Zelayi in Lori Scheinost za tehnično podporo nevrofiziologiji ter Jeffreyu Wertheimerju za nevropsihološko oceno bolnikov. Ralphu Adolphsu in vsem članom laboratorija Rutishauser se zahvaljujemo za razpravo. To študijo je omogočilo financiranje semen iz Pfeifferjeve fundacije, kasneje pa so jo podprli tudi NIH NINDS (U01NS098961), NSF CAREER Award (BCS-1554105) in McKnight Endowment Fund za nevroznanost (vse v UR).

Prispevki avtorjev

UR in JK sta zasnovala poskus. JK, UR, KB in CPM so izvajali poskuse. JK in UR sta opravila analizo. ANM in KB sta opravila operativni poseg. MT je nudil oskrbo pacientov. JK, ANM in UR so napisali prispevek. Vsi avtorji so razpravljali o rezultatih v vseh fazah projekta.

Izjava o interesih

Avtorji ne razkrivajo nobenih konkurenčnih interesov.

Dodatne informacije

Dokument S1. Številke S1 – S4 in tabela S1