Динамическая синхронизация между представлениями гиппокампа и шаганием

Nature, том 617, страницы 125–131 (2023 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

1 Цитаты

77 Альтметрика

Подробности о метриках

Гиппокамп — это структура мозга млекопитающих, которая выражает пространственные представления1 и имеет решающее значение для навигации2,3. Навигация, в свою очередь, во многом зависит от передвижения; однако современные данные предполагают диссоциацию между пространственными представлениями гиппокампа и деталями локомоторных процессов. В частности, считается, что гиппокамп представляет в основном когнитивные и локомоторные переменные более высокого порядка, такие как положение, скорость и направление движения4,5,6,7, тогда как движения конечностей, которые приводят животное в движение, могут быть вычислены и представлены в основном в подкорковых цепях. включая спинной мозг, ствол мозга и мозжечок8,9,10,11. Остается неизвестным, действительно ли репрезентации гиппокампа отделены от детальной структуры локомоторных процессов. Чтобы ответить на этот вопрос, мы одновременно отслеживали пространственные представления гиппокампа и текущие движения конечностей, лежащие в основе локомоции, в короткие сроки. Мы обнаружили, что цикл шагов передними конечностями у свободно ведущих себя крыс является ритмичным и достигает пика около 8 Гц во время движения, что соответствует примерно 8 Гц модуляции активности гиппокампа и пространственных представлений во время локомоции12. Мы также обнаружили точно синхронизированную координацию между моментом, когда передние конечности касаются земли (время «посадки» в цикле шагов) и представлением пространства в гиппокампе. Примечательно, что время установки совпадает с представлениями в гиппокампе, которые наиболее близки к фактическому положению носа крысы, тогда как между этими моментами установки представление в гиппокампе продвигается к возможным будущим местоположениям. Эта синхронизация была особенно заметна, когда крысы подходили к пространственным решениям. В совокупности наши результаты демонстрируют глубокую и динамическую координацию в течение десятков миллисекунд между центральными когнитивными репрезентациями и периферическими двигательными процессами. Эта координация быстро включается и отключается в связи с когнитивными потребностями и хорошо подходит для поддержки быстрого обмена информацией между когнитивными и сенсомоторными цепями.

По мере того, как животные перемещаются по окружающей среде, представления нейронной популяции в гиппокампе часто проходят через последовательность пространственных положений, включая местоположения позади, внутри и впереди фактического положения животного13,14,15,16,17,18. Эти последовательности повторяются с частотой около 8 Гц, одновременно с тета-ритмом12,19, и широко распространено мнение, что они отражают «карту»20,21 доступного навигационного пространства, которая определяет поведение, управляемое памятью4,6. В соответствии с этой идеей, нарушение активности гиппокампа или теты ухудшает производительность при выполнении задач пространственной памяти22,23,24, в которых правильное выполнение включает перемещение в одно или несколько запомненных мест. Таким образом, репрезентации гиппокампа могут влиять на решения19,25, связанные с локомоторными действиями. И наоборот, двигательные действия перемещают животное, а пространственные представления гиппокампа смещаются в новое положение по мере движения животного.

Текущие отчеты утверждают, что вычисления гиппокампа представляют собой когнитивную карту или варианты навигации, но не устанавливают связь между временем этих представлений и детальной структурой локомоторных процессов (например, временем отдельных шагов). В частности, известно, что гиппокамп представляет переменные, связанные с локомоцией более высокого порядка, включая положение, скорость и направление7,26,27, тогда как цепи спинного мозга, ствола мозга и мозжечка представляют и управляют отдельными движениями конечностей8,9,10,11. Однако связь репрезентаций гиппокампа с движениями конечностей не изучалась, и могут быть преимущества в синхронизации активности всех систем мозга для облегчения потока информации28.

Поэтому мы одновременно отслеживали нейронную активность в дорсальной области CA1 гиппокампа и ритм шагов у крыс, бегущих по прозрачным поведенческим трекам. Полученные данные включали измерения частоты тета-ритма и импульсной активности нейронов гиппокампа, включая пространственно селективные клетки «места», а также видео с высоким разрешением, из которого мы извлекли движения конечностей крыс (рис. 1a, расширенные данные). Рис. 1 и дополнительные видеоролики 1 и 2). Мы ориентируемся на данные крыс (n = 5), обучающихся и выполняющих задачу пространственной памяти, зависящую от гиппокампа, на W-образной дорожке29,30 (рис. 1b). Траектории бега при выполнении этой задачи можно разделить на исходящие (крыса бежит от центрального колодца к любому внешнему колодцу) или входящие (крыса бежит от любого внешнего колодца к центральному колодцу), а правильная последовательность вознаграждения соответствует центр-лево-центр- правый-центральный-левый-центральный-правый и так далее.