A Hippocampal theta és a gamma oszcillációk kapcsolata a szinaptikus transzmisszió erősítésével

Arthur Bikbaev

1 Kísérleti Neurofiziológiai Tanszék, Orvostudományi Kar, Ruhr Egyetem, Bochum, Bochum, Németország

Denise Manahan-Vaughan

1 Kísérleti Neurofiziológiai Tanszék, Orvostudományi Kar, Ruhr Egyetem, Bochum, Bochum, Németország

2 Nemzetközi Idegtudományi Doktori Iskola, Ruhr University Bochum, Bochum, Németország

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyre a szerzők és a Frontiers Research Foundation között kizárólagos licencszerződés vonatkozik, amely korlátlan felhasználást, terjesztést és reprodukciót tesz lehetővé bármely médiumban, feltéve, hogy az eredeti szerzőket és a forrást jóváírják.

Absztrakt

A hippocampus in vivo mind a szinaptikus plaszticitás, mind a hálózati aktivitás szorosan összefügg egymással. Megállapítottuk, hogy közvetlenül a hosszú távú potencírozás (LTP) kiváltására tett kísérlet után a theta (5–10 Hz) és a gamma (30–100 Hz) aktivitás változásai szorosan korrelálnak az LTP előfordulásával, ami arra utal, hogy a tetanizáció által vezérelt aktiváció szenzoros bemenetek szinkronizálja a szemcsesejtek és az interneuronok aktivitását, és ezáltal megkönnyíti a megszerzett ingerek kódolását. Ez a teta- és gamma-teljesítmény növekedését eredményezi, és növeli annak valószínűségét, hogy az afferens ingerek egybeesnek a theta-ciklus csúcsával, és elérik poszt-szinaptikus célpontjukat a gamma-időablakon belül (10–30 ms). Mindkét mechanizmus hatékonyan elmozdíthatja a tetanizáció által kiváltott szinaptikus súlyváltozások irányát az LTP potencírozása és indukciója felé. Itt megvitatjuk eredményeinket a theta és gamma oszcillációkat az LTP indukcióval összekapcsoló lehetséges mechanizmusok összefüggésében, valamint szerepüket az információfeldolgozásban és az emlékek kialakításában.

A szinaptikus átvitel hosszú távú potencírozása mint a szinaptikus plaszticitás modellje

Az új információk elemzésének és elsajátításának képessége, és ha szükséges, a jelenlegi és a legutóbbi emlékek kombinációján alapuló folyamatok módosítása fontos tényező az organizmusok életben maradásának a folyamatosan változó világban. Ezen emléknyomok létrehozása és kezelése a központi idegrendszer alapvető funkcióit foglalja magában, amelyek a szinaptikus képlékenységben való részvétel képességére támaszkodnak. Különböző szinteken követhetők, a szubcelluláristól kezdve a viselkedésig.

A hatvanas évek végi felfedezése óta (Andersen és Lømo, 1967; Bliss és Lømo, 1973; lásd áttekintésképpen: Lømo, 2003) a hosszú távú potencírozást (LTP) intenzív tanulmányozás tárgya, rengeteg indukciós protokoll felhasználásával., fajok és különféle készítmények in vivo és in vitro. Manapság az LTP-t a hosszú távú depresszióval (LTD) együttesen széles körben használják a szinaptikus információ tárolásának modelljeként, és úgy gondolják, hogy a neuronális hálózatokban képviselik a tanulás és a memória folyamatait (Abraham, 2003; Bear, 1996; Bliss és Collingridge, 1993; Kemp és Manahan-Vaughan, 2007; Lynch, 2004; Whitlock et al., 2006).

A neurotranszmitter rendszerek eltérő relatív részvétele mellett az LTP indukciója és/vagy expressziója, mint az új információk megszerzésére, feldolgozására és későbbi tárolására szolgáló központi szinapszisok tükröződése, számos más tényezőtől függ, beleértve a környezeti dúsulást, a stressz különféle formáitól stb. (Artola és mtsai, 2006; Avital és mtsai, 2006; Bruel-Jungerman és mtsai, 2005; Duffy és mtsai, 2001; Foster és mtsai, 2000; Kopp és mtsai, 2006; Seidenbecher és mtsai., 1997; van Praag és mtsai, 1999; Xu és mtsai, 1998), amelyek az érzékszervi bemenetet egy aktuális viselkedési állapotba kapcsolják, és a szenzoros ingerek feldolgozásának kontextuális kereteit biztosítják. Így, figyelembe véve az LTP jelenségének hátterében álló mechanizmusok sokaságát, nem meglepő, hogy különféle tényezők és/vagy kísérleti manipulációk jelentősen befolyásolhatják annak különböző fázisait. Az LTP legtöbb formája és különösen az elektromosan indukált LTP esetében azonban az állat állapota (szinaptikus és viselkedési jellegű) rövid idő alatt, mind a tetanizálás alatt, mind az után közvetlenül meghatározónak tűnik a potencírozás tartósságának meghatározásában (Abraham, 2003).

Vizsgálatunkban (Bikbaev és Manahan-Vaughan, 2007) nagyfrekvenciás tetanizálást (HFT) alkalmaztunk szabadon viselkedő felnőtt patkányokban, és 24 órán keresztül az intrahippocampal elektroencefalogrammal párhuzamosan figyeltük a terepi ingerítő szinaptikus potenciálokat (fEPSP). Annak ellenére, hogy minden állat esetében azonos stimulációs protokollt alkalmaztak, a tetanizálás kimeneteleiben jelentős eltéréseket találtak. Az állatok első csoportjában robusztus LTP fordult elő, amely legalább 24 órán át stabil volt (LTP csoport), a második csoportban rövid ideig tartó, legfeljebb 3 órán át tartó potencírozás indukálódott (STP csoport), míg a harmadik csoportban csoportban a potenciálás sikertelensége következett be, azaz a szinaptikus transzmisszió tartós növekedését nem tapasztalták (kudarccsoport). A tetanizálási eredmények ezen tartományát figyelembe véve elemeztük őket a hálózati aktivitás változásainak összefüggésében, amelyek a tetanizálás után és az azt követő első 300 másodpercben bekövetkeztek.

A teta- és gamma-aktivitás tetanizálás által kiváltott megkönnyítése kedvez az LTP-nek

Vizsgálatunk eredményei azt mutatták, hogy a szabadon mozgó patkányokban a szinaptikus transzmisszió (LTP és STP csoportok) sikeres megerősítését megelőzte a relatív theta-teljesítmény a HFT utáni 300 s periódusban, összehasonlítva a tetanizáció előtti időszakkal ( Ábra (1. ábra). 1). Ezzel szemben az LTP-tönkremenetel-csoportban a teta-teljesítmény fokozatos helyreállítását a tetanizálás előtti értékekig, de nem növekedést tapasztalták. Más szavakkal, a potenciáció sikeres indukálása (akár STP, akár LTP formájában) a tetanizálás után fokozta a theta oszcillációs aktivitását, míg patkányokban, ahol az LTP sikertelensége mutatkozott, ilyen fokozás nem következett be. Egyetlen theta-ciklus átlagos amplitúdója szintén szignifikánsan magasabb volt a tetanizálás utáni időszakban az LTP és az STP csoportokban, összehasonlítva a sikertelen szinaptikus potencírozással. Összességében ezek az adatok arra utalnak, hogy a szenzoros bemenet aktiválásának megfelelő kezeléséhez (a HFT által imitálva) átmeneti teta-teljesítményre van szükség. Ez viszont megengedő szerepet játszhat az LTP indukciójában, és általában az újonnan megszerzett információk memória nyomainak kialakulásában.

A teta- és gammaerő átmeneti fokozása a tetanizálódás utáni időszakban korrelál a szabadon mozgó patkányok fogazatában a szinaptikus transzmisszió potenciáljával. (A) Példák az EEG-korszakokra, amelyek 100 s hosszú tetanizálási periódust tartalmaznak (200 Hz, 10 vonat: az első vonatot nyíllal jelölik), majd 300 másodpercet követően patkányokban rögzítették, amelyek LTP-t (bal oldali panel), STP-t (középső panel) vagy a potenciálás sikertelensége (jobb oldali panel), ill. A csillag azt a periódust jelöli, amely közvetlenül a HFT után következik be, amikor a hálózati oszcillációk amplitúdója nagyobb LTP és STP esetekben, összehasonlítva a sikertelen potencírozással. Méretarány: 20 s. (B) A szinaptikus transzmisszió sikeres potencírozása (LTP és STP) a relatív teta- és gamma-teljesítmény jelentős növekedésével jár együtt, különösen abban az időszakban, amely 100 másodpercet tartalmaz a tetanizálás után. Az eredményeket összegyűjtöttük LTP, STP és meghibásodási csoportokra, és átlag ± S.E.M. (módosítva: Bikbaev és Manahan-Vaughan, 2007).

Az LTP, az STP és a sikertelen potenciatartalmú csoportok közötti különbségeket azonban tanulmányunkban nem korlátozták theta oszcillációk. Megállapítottuk, hogy a HFT utáni első 100 másodpercen belül a teta teljesítmény növekedése és az egyetlen theta ciklus átlagos amplitúdója az LTP csoportban magasabb gamma teljesítménnyel és az egyetlen theta cikluson belül magasabb gamma oszcillációk amplitúdójával járt együtt. az LTP és az STP csoport, összehasonlítva a sikertelen potencírozás eseteivel (ábra (1B ábra). 1 B). Ez azt jelzi, hogy nem a teta teljesítmény növekedése önmagában, hanem a teta és a gamma teljesítmény korrelált növekedése fontos a szinaptikus súlyok plasztikus változásainak lehetővé tételéhez vagy közvetítéséhez. Eredményeink azt mutatják, hogy az oszcillációs aktivitás ezen fokozásának viszonylag rövid időn belül meg kell történnie a szinaptikus plaszticitás kialakulásához. Figyelembe véve, hogy a gamma-oszcillációk amplitúdója a dentate gyrus-ban, de a CA3 vagy CA1 régiókban nem, szignifikánsan magasabb a theta-oszcillációk jelenlétében, mint a nem theta-állapotokban (Csicsvari et al., 2003), ezek a megállapítások hogy a tetanizáció által kiváltott theta-aktivitás okozati szerepet játszhat a gamma-oszcillációk fokozásában.

A hálózati és a sejtek szintjén bekövetkező, a szinaptikus átvitel hosszú távú erősítéséhez vezető nagyfrekvenciás tetanizálás következményeinek sematikus ábrázolása. (A) Az erős afferens stimuláció mind a teta-, mind a gamma-oszcillációk fokozását eredményezi, amely a tetanizálást követő 5 percen belül következik be és GABAR-ok, NMDAR-ok és mGluR-ek révén közvetíthető. (B) Mind az ionotrop, mind a metabotrop glutamát receptorok tetanizálás által kiváltott aktivációját a plaszticitással összefüggő azonnali-korai gének (IEG) és a fehérjeszintézis kifejezése követi, amelyek megalapozhatják a strukturális szinaptikus átszervezést és a szinaptikus hatékonyság hosszú távú növekedését. Az LTP indukcióját, expresszióját vagy fenntartását gátló kísérleti eljárások a poszt-tetanikus potenciáció, az STP, a korai LTP vagy a késői LTP (1–4) károsodását eredményezhetik. A szürke nyilak jelzik az esetleges kapcsolatokat az NMDAR és az mGluR aktiválása között, valamint a hálózati aktivitás megkönnyítését a teta és gamma frekvenciasávokban.

A szinaptikus súly változásának iránya összefügg a Theta ciklus fázisával

Ebben az összefüggésben arra lehet következtetni, hogy a teta- és gamma-oszcillációk átmeneti fokozódása a tetanizálás utáni időszakban tükrözi a rendszer részvételét a megszerzett információk kódolásában. Ez a hálózat későbbi „újrakonfigurálását” eredményezheti, párosulva a jelenleg aktivált kapcsolatok megerősítésével és a többiek gyengülésével. Ezenkívül a megkönnyített teta-aktivitás támogathatja a hálózat fõ sejtjeinek és interneuronjainak tüzelésének szigorúbb idõzítését, amely az információfeldolgozás optimalizálását szolgálja. A gamma-oszcillációk tetanizáció által kiváltott fokozása viszont magasabb szinkronizációval társul, és tükrözi a koordinált együttes tevékenységet, amelynek célja a releváns emlékek kódolása/visszakeresése. Ennek megfelelően az ilyen változások hiánya vagy inkonzisztenciája a hálózati aktivitásban összefüggésbe hozható a szükséges neurotranszmitter rendszerek aktiválásának hiányával vagy elégtelenségével, a szenzoros információk feldolgozásának optimálisnál alacsonyabb feltételeivel, és ezért alacsonyabb valószínűséggel az LTP számára.

Összegzés

Összeférhetetlenségi nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást bármilyen kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolat hiányában végezték, amely potenciális összeférhetetlenségként értelmezhető.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát egy Deutsche Forschungsgemeinschaft támogatással támogatták D. Manahan-Vaughan (Ma1843) számára.