Hippocampal repris

Hippocampal replay är ett fenomen som observeras hos råttor , möss , katter , kaniner , sångfåglar och apor . Under sömn eller vaken vila hänvisar replay till återuppträdandet av en sekvens av cellaktiveringar som också inträffade under aktivitet, men reprisen har en mycket snabbare tidsskala. Det kan vara i samma ordning, eller i omvänd ordning. Det hittades också fall där en sekvens av aktiveringar inträffar före själva aktiviteten, men det är fortfarande samma sekvens. Detta kallas förspel .

Fenomenet har mestadels observerats i hippocampus , en hjärnregion associerad med minne och rumslig navigering. Specifikt är cellerna som uppvisar detta beteende platsceller , som kännetecknas av att deras aktivitet ökar på ett tillförlitligt sätt när djuret befinner sig på en viss plats i rymden. Under navigering avfyrar platscellerna i en sekvens enligt djurets väg. I en omspelningsinstans aktiveras cellerna som om de svarar på samma rumsliga väg, men i mycket snabbare takt än vad djuret faktiskt flyttade in.

Bakgrund

Platscellsaktivitet var redan väl etablerad när den första studien utforskade detta fenomen 1989. De visade att neurala aktiviteten hos enstaka platsceller under sömnen liknade aktiviteten under vaket tillstånd. Denna aktivitet var större än andra cellers och denna studie var bara det första steget mot att förstå replay. Efterföljande studier visade att stora grupper av celler också visade denna typ av ökad aktivitet under sömnen. Dessutom upptäcktes att aktivitetsordningen för platsceller också replikerades under sömnen. Avfyrningssekvenser av tre och fler neuroner som observerades i hippocampus under förflyttning visades återkomma selektivt under efterföljande långsamma sömn mer sannolikt än under föregående sömn, och sekvensuppspelningen komprimerades under högfrekventa oscillationer . Dessa högfrekventa fältsvängningar som kallas rippel observerades i sömntillståndet och visade sig senare spela en orsaksroll i minneskonsolidering .

Nästa steg var upptäckten av repris under det vakna tillståndet. 1999, tio år efter den första upptäckten, visades också neurala inspelningar i vaket tillstånd ha replay-aktivitet. Det är betydligt svårare att upptäcka denna aktivitet i vaket tillstånd och flera metoder inklusive Bayesiansk avkodning har använts för att kvantifiera reprishändelser som inträffar under kortvågsvågor. Nya framsteg inkluderar upptäckten att uppspelning kan ske omvänt och att det också har visat sig förekomma i olika miljöer. Omspelets roll i minneskonsolidering i dessa olika förhållanden och miljöer undersöks fortfarande och flera teorier försöker svara på denna fråga.

Plats och beteendetillstånd

Omspelning kan ske under flera olika beteendemässiga, fysiologiska och miljömässiga förhållanden. Den första distinktionen mellan vaket och sömntillstånd kan representera olika roller i minneskonsolidering. I sömntillståndet definierar rippelhändelserna och platscellaktiviteten liknande aktiviteten i omgivningen reprishändelserna. I sömntillståndet finns det också en skillnad mellan REM (rapid eye movement) och SWS (slow wave sleep) vilket har implikationer för reprishändelser. Under SWS avfyras platscellerna i en sekventiell ordning som indikerar repris och eventuellt indikerar minneskonsolidering. Men under REM-sömn där drömmar förekommer hos människor, inträffade även reprishändelser som tyder på en möjlig roll för platsceller i drömmar.

I vaket tillstånd sker samma aktivitet, men det är svårare att upptäcka och djuret måste vara i viloläge. Slutligen finns det många miljöer för reprisevenemang i det vakna djuret. Längden på spåret kan vara kort eller lång och fortfarande spelas upp av en population av platsceller. Dessutom kan uppspelning av en enskild miljö inträffa när djuret befinner sig i den miljön eller i olika miljöer. Detta kan visa att konsolidering av minnet är en ihållande process som kan inträffa i flera olika typer av miljöer och beteendeförhållanden. Reprishändelsernas robusthet indikerar vikten av denna process.

Förspel

Som nämnts ovan kan den sekventiella aktiveringen av hippocampala platsceller enligt deras platsfält ske under viloperioder innan djuret faktiskt korsar den aktiverade banan, även om djuret aldrig har upplevt det tidigare. Detta tyder på att aktivering av hippocampus under vila kan ha en funktion inte bara i minneskonsolidering och hämtning, utan också vid planering : det bidrar till organisationen av nätverket för att förbättra kodningen av framtida händelser.

Sensorisk signal för aktivering

Sensoriska stimuli kan inducera reprishändelser eller förbättra reprisen: i vaket tillstånd börjar reprisen ofta från den aktuella platsen och fortsätter antingen framåt eller bakåt i tiden, och närliggande platser är mer sannolikt platsfälten för neuroner som uppvisar repris än långt borta platser. Det här är som cued memory retrieval , där en sensorisk ingång utlöser hämtning av liknande eller relevanta minnen. Cue kan till och med utlösa en repris i en annan miljö, om platscellerna som signaleras representerar en plats i en annan miljö utöver den aktuella platsen för djuret.

Interaktion med cortex

Flera studier börjar förstå att repris inte bara kan förekomma i hippocampus . Replay har kopplats till koherent aktivitet i kortikala regioner i standardlägesnätverket. Efter inlärning inträffade liknande reprishändelser i både thalamus och cortex . Dessutom visade den visuella cortex populationsaktivitet som både var koordinerad till diskreta tidsregioner och att den inträffade samtidigt med aktivitet i hippocampus. Samtidig reaktivering i hippocampus och cortex kan visa att minneskonsolidering kräver kortikal input/output för att upprätthålla ett minne. Denna hypotes stämmer väl överens med tanken att cortex spelar en integrerad roll i minneshämtning efter konsolidering. Därför kan hippocampus-replay spela rollen som informationsöverföring mellan hippocampus och cortex, men denna idé kräver ytterligare verifiering.

Funktion i minnet

Hippocampal replay i vaket tillstånd har visat sig korrelera med prestanda i navigeringsuppgifter efter replay-händelsen. Detta tyder på att replay spelar en roll vid konsolidering av minnen relaterade till rumslig plats, även om ett tydligt orsakssamband mellan replay och minneskonsolidering fortfarande är obevisat. Vidare verkar replay också vara relaterat till minneshämtning : det aktiveras av signaler som också utlöser minneshämtning, och i situationer som kräver det, som att planera en bana baserat på konsekvenserna av tidigare val. Detta förhållande är också fortfarande bara korrelativt, men det finns studier som visar bevis för nödvändigheten av omspelning vid framgångsrik minneshämtning.

Replay kommer sannolikt att delta i både konsolideringen av minnen och i att bygga en kognitiv karta . Replay kommer sannolikt också att spela en viktig roll för att generera och underhålla en värdekarta, som är en föreslagen variant av kognitiv karta där minnen förstärks i enlighet med sina värden.

I studier gjorda för att övervaka mönstren i hippocampus-repriset av händelser som händer i råttornas sinnen, upptäcktes att de förlitar sig starkt på långvariga återspelbara minnen för sina dagliga liv. För att avgöra om djuren verkligen kunde behålla minnena satte forskarna upp en serie episodiska händelser (dvs. en serie tunnlar, en labyrint, ett spår fullt av vändningar) för att visualisera neuronaktiviteten när råttan avslutar sin runda runt den nya miljö. Det kemogenetiskt aktiverande läkemedlet klozapin N-oxid (CNO), men inte vehikel, försämrar reversibelt episodisk minnesuppspelning hos råttor som tidigare injicerats bilateralt i hippocampus med en rekombinant viral vektor som innehåller en hämmande designerreceptor som uteslutande aktiveras av ett designerläkemedel (DREADD; AAV8- hSyn-hM4Di-mCherry). Däremot är två icke-episodiska minnesbedömningar opåverkade av CNO, vilket visar selektiviteten för denna hippocampusberoende funktionsnedsättning.