CA1表征的经验依赖变化。a,左:实验设置,其中老鼠学习水奖励的位置。中图:具有代表性的时间平均双光子图像,显示单个动物背侧CA1锥体神经元中GCaMP6f的表达。比例尺,100 μm。右图:Δf/f轨迹来自CA1位置单元(黑色),速度(灰色)和舔舐(橙色)信号连续五圈。b,任务阶段。左图:第0天为最终习惯化日(奖励位置可变的空白带)。右:第1天,暴露在新的环境中(奖励位置固定的线索丰富带,即环境a)。c,个体动物的舔食行为。蜱代表舔;箭头表示圈速开始(左)或圈速开始和奖励位置(右)。 d, Mean lick rates for days 0 and 1 (n = 18 animals). e, Running behavior of an individual animal. f, Mean running for days 0 and 1 (n = 18 animals). g, Peak-normalized mean Δf/f across space for all CA1 place cells (day 0: n = 719, day 1: n = 1,278). Place cells sorted by peak location. Data from animals with the same field of view imaged in both sessions (n = 14 animals). h, Fraction of CA1 place cells (PCs) versus place field (PF) peak location (bin = 18 cm, chi-squared test, df = 9, P = 3.47 × 10−36). i, Fraction of spatially modulated place cells (paired two-sided t-test, P = 3.12 × 10−5). j, Mean place cell spatial information per animal (paired two-tailed t-test, P = 0.003). k, Population vector correlations (corr.). Left: reliability of CA1 place cell activity (paired two-tailed t-test, P = 3.22 × 10−6). Right: population vector correlations for CA1 cells with place fields on days 0 and 1 (two-tailed t-test, P = 3.65 × 10−15 and 3.82 × 10−11). For h–k, n = 14 animals each; in i–k, open circles show individual animals, and filled circles are means. l, CA1 place cell density on day 1 as a function of the peak-normalized velocity (n = 18 animals) and fitted by a linear equation (blue line, R represents Pearson’s correlation coefficient, two-tailed t-test, P = 4.16 × 10−16). Each dot represents data from an 18-cm-wide spatial bin. Black dashed lines and arrows mark the reward location. Data are shown as mean ± s.e.m. Credit:自然 (2022)。DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 05378 - 6
神经科学中一个长期存在的问题是哺乳动物(包括人类)的大脑如何适应外部环境、信息和经验。一项范式转变的研究发表在自然 德克萨斯州儿童医院和贝勒医学院的Jan and Dan Duncan神经学研究所(Duncan NRI)的研究人员发现了一种新型突触可塑性的机制步骤,称为行为时间尺度突触可塑性(BTSP)。
这项研究发表在自然 由贝勒大学教授杰弗里·马吉(Jeffrey Magee)博士领导,他也是霍华德·休斯医学研究所和邓肯NRI的研究员,揭示了内嗅皮层(EC)如何向大脑发送指导性信号海马体 这是大脑中对空间导航、记忆编码和巩固至关重要的区域,并指导它专门重新组织特定神经元子集的位置和活动,以实现改变行为,以响应不断变化的环境和空间线索。
神经元之间通过传输进行交流电信号 或者化学物质通过连接突触 .突触可塑性是指随着时间的推移,这些神经元连接变得更强或更弱的适应能力,是对外部环境变化的直接反应。我们的神经元对外界线索做出快速准确反应的适应能力对我们的生存和成长至关重要,并形成了学习和记忆的神经化学基础。
动物的大脑活动和行为能迅速适应空间变化
找出哺乳动物大脑能力的基础机制自适应学习 该研究的主要作者、马吉实验室的博士后克里斯汀·格林伯格(Christine Grienberger)博士测量了一组特定位置细胞的活动,这些细胞是构建和更新外部环境“地图”的特殊海马神经元。她将一个高倍显微镜连接到这些小鼠的大脑上,并在小鼠在线性跑步机上跑步时测量这些细胞的活动。
在初始阶段,小鼠适应了这个实验设置,奖励(糖水)的位置在每一圈都被改变。“在这个阶段,老鼠以相同的速度不停地跑,同时不断地舔轨道。这意味着这些小鼠体内的定位细胞形成了统一的平铺模式,”格林伯格博士说,他目前是布兰迪斯大学的助理教授。
在下一阶段,她将奖励固定在跑道上的特定位置,同时提供一些视觉线索来定位小鼠,并测量同一组神经元的活动。“我发现改变奖励地点会改变这些动物的行为。现在,老鼠在奖励地点前短暂地放慢速度,品尝糖水。更有趣的是,这种行为的改变伴随着奖赏部位周围位置细胞的密度和活性的增加。这表明空间线索的变化可以导致海马神经元的适应性重组和活动,”格林伯格博士补充道。
这一实验范式使研究人员能够探索空间线索的变化是如何形成的哺乳动物的大脑 诱导适应性的新行为。
70多年来,赫比理论(通俗地概括为“神经元一起放电,连接在一起”)一直主导着神经科学家关于突触如何随着时间的推移而变强或变弱的观点。虽然这一经过充分研究的理论是神经科学领域若干进步的基础,但它也有一些局限性。2017年,马吉实验室的研究人员发现了一种新的强大的突触可塑性类型——行为时间尺度突触可塑性(BTSP),它克服了这些限制,并提供了一种模型,最好地模拟了我们在现实生活中学习或记忆相关事件的时间尺度。
使用新的实验范式,格林伯格博士观察到,在第二阶段,先前沉默的位置细胞神经元在奖励位置固定后,在一圈内突然获得了较大的位置区域。这一发现与非赫比形式的突触可塑性 和学习。额外的实验证实,在这些小鼠的海马位置细胞和行为中观察到的适应性变化确实是由于BTSP引起的。
内嗅皮层指示海马位置细胞如何对空间变化做出反应
基于他们之前的研究,Magee团队知道BTSP涉及一种指导性/监督性信号,这种信号不一定位于被激活的目标神经元(在这种情况下,是海马位置细胞)内部或附近。为了确定这一指导性信号的来源,他们研究了来自附近一个称为内嗅皮层(EC)的大脑区域的轴突投射,该区域支配海马体,并充当海马体和控制高级执行/决策过程的新皮层区域之间的通道。
“我们发现,当我们特异性地抑制支配CA1的EC轴突子集时海马神经元 它阻止了大脑中CA1奖励过度表征的发展,”马吉博士说。
根据几方面的调查,他们得出结论内嗅皮层 提供一个相对不变的目标指示信号,指导海马体重新组织位置细胞的位置和活动,从而影响动物的行为。
“发现大脑的一部分(内嗅复合体)可以指导另一个大脑区域(海马体)改变其位置和活动神经元 (定位细胞)是神经科学领域的一个非凡发现,”马吉博士补充道。“它完全改变了我们对大脑中依赖学习的变化如何发生的看法,并揭示了新的可能性领域,这些可能性将改变和指导我们未来如何处理神经和神经退行性疾病。”
更多信息: Christine Grienberger等人,内嗅皮层指导CA1表征的学习相关变化,
自然 (2022)。
DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 05378 - 6
由德州儿童医院提供
引用 :研究人员发现了内嗅皮层的一种新的指导作用(2022,11月3日),检索自2022年11月6日//www.puressens.com/news/2022-11-role-entorhinal-cortex.html
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