נורת הריח מווסתת את תנודות הקורטקס האנטורינאלי במהלך זיכרון העבודה המרחבי

איש קשר:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

תַקצִיר

תפקודים קוגניטיביים כגוןעובדזיכרוןדורשים פעילות משולבת בין אזורי מוח שונים. יש לציין שפעילות קליפת המוח האנטורינאלית (EC) קשורה למשימת זיכרון העבודה המוצלחת. תנודות נורות הריח (OB) ידועות כמקצבים המווסתים פעילות קצבית באזורי מוח נרחבים במהלך משימות קוגניטיביות. מכיוון שה-OB מחובר מבחינה מבנית ל-EC, שיערנו ש-OB יכול לווסת את פעילות ה-EC במהלך ביצועי זיכרון העבודה. כאן, חקרנו קישוריות פונקציונלית OB-EC במהלך ביצועי זיכרון עבודה מרחבי על ידי הקלטה בו-זמנית של פוטנציאל שדה מקומי כאשר חולדות ביצעו משימת Y-maze. התוצאות שלנו הראו שהקוהרנטיות של תנודות דלתא, תטא וגמא בין OB ו-EC גדלה במהלך ניסויים נכונים בהשוואה לניסויים שגויים. ניתוחי צימוד צולב-תדרים גילו כי ההשפעה המווסתת של שלב בתדר נמוך של OBs על הספק גמא ופאזה של EC הוגברה כאשר בעלי חיים ביצעו כראוי משימת זיכרון עבודה. זרימת המידע מ-OB ל-EC גדלה גם ברצועות דלתא וגמא בניסויים נכונים. ממצאים אלה הצביעו על כך שההשפעה המודולטורית של מקצבי OB על תנודות EC עשויה להיות הכרחית לביצועי זיכרון עבודה מוצלחים.

מילות מפתח: נורת ריח, קליפת המוח האנטורינאלית,עובדזיכרון, קישוריות פונקציונלית

רקע כלליעובדזיכרוןהוא מרחב עבודה לאחסון זמני ולמניפולציה אקטיבית של מידע לצורך קבלת החלטות שוטפת [1–3]. ביצועים מוצלחים של זיכרון עבודה תלויים בתקשורת מאורגנת בין אזורי מוח [1-3]. קליפת המוח האנטורינאלית (EC) היא חלק ממערכת האונה הטמפורלית המדיאלית, הממוקמת כ"שער" בין אזורים ניאוקורטיקליים לבין ההיפוקמפוסזיכרוןמערכת[4]. הוכח כי EC פועל כחיץ זמני של מידע נכנס להיפוקמפוס [5]. מחקרי נגעים גם הראו כי אבלציה EC משבשת את ביצועי זיכרון העבודה [6-8]. לפיכך, EC כנראה חיוני לביצועים מוצלחים של זיכרון עבודה [9].

cistanches herbaלחסינות

קליפת המוח האנטורינאלית קשורה קשר הדוק עם נורת הריח (OB); מידע חושי מגיע ישירות ל-EC מ-OB ועוקף את התלמוס, בניגוד למערכות חושיות אחרות [10, 11]. דנדריטים אפיקליים בשכבה II/III פירמידלית וסטלטית בחלק הרוחבי של תאי EC מקבלים תחזיות מתאי המיטרלים של OB [12, 13]. מצד שני, תנודות OB והצימוד שלהן עם אזורי מוח אחרים נמצאים בקורלציה עם תפקודים קוגניטיביים [14, 15]. הסרה או פגיעה ב-OB מובילה לליקויים קוגניטיביים כגון משימות קשב, זיכרון התייחסות, התאמה מושהית, זיכרון היפוך וחסרי זיכרון עבודה [16-18]. צוין כי תנודות גמא נמוכות של OB בולטות במהלך מצב מודע ויש להן תפקיד חיוני בסנכרון מעגלים עצביים הקשורים לזיכרון הצהרתי מרחבי [19, 20]. עם זאת, תנודות הגמא הגבוהות של OB הן תקופתיות יותר במהלך חקר ספונטני בסביבה חדשה [20]. מכיוון שהפעילות של OB ו-EC תורמת לתפקוד הזיכרון, נראה שאינטראקציה בין OB ו-EC תנודות עשויה לשחק תפקיד בביצועים מוצלחים של זיכרון העבודה. עד כה, אין מחקר זמין להערכת קישוריות פונקציונלית בין OB ו-EC במהלך ביצועי זיכרון העבודה.

חקירות אלקטרופיזיולוגיות הוכיחו כי קישוריות תפקודית בתוך אזורי מוח יכולה להיות חיונית להתנהגויות קוגניטיביות [21]. צימוד אוסצילה בין אזורי מוח שונים מאפשר תקשורת בין אזורית, חיונית לעיבוד מידע במהלך התנהגות [22]. באופן ספציפי, צימוד צולב תדרים (CFC) נחשב לקידוד האופטימלי התומך בהעברת מידע במהלך ביצועים קוגניטיביים, כולל זיכרון עבודה [22, 23]. לכן, עוצמת הצימוד הפונקציונלי בין אזורי המוח עשויה לייצג קוד מוחי של הפעלת מעגל הזיכרון.

cistanche bienfaitsלחֲסִינוּת

Morteza Salimi1, Farhad Tabasi1,2, Milad Nazari3, Sepideh Ghazvineh1, Alireza Salimi4, Hamidreza Jamaati4 ומוחמד רזא ראופי1,2

המחלקה לפיזיולוגיה, הפקולטה למדעי הרפואה, אוניברסיטת תרביאט מודרס, טהראן, איראן

בסך הכל, שיערנו שתנודות OB מתאמות את הפעילות של EC, שמתווכת את ביצועי זיכרון העבודה. חקרנו את הקישוריות הפונקציונלית של OB-EC במהלך משימת זיכרון העבודה על ידי רישום סימולטני של פוטנציאל שדה מקומי (LFPs) כאשר חולדות מתחלפות באופן ספונטני במבוך Y. קוהרנטיות מעגל OB-EC חושבה כדי להעריך את הקישוריות הפונקציונלית הספציפית לתדר כאשר חולדות ביצעו את משימת זיכרון העבודה. עשר, התייחסנו להשפעה המודולטורית של שלב ה-OB בתדר נמוך על השלב וההספק של תדרים גבוהים של EC באמצעות ניתוחי CFC. לבסוף, זרימת המידע מ-OB ל-EC נמדדת עם סיבתיות גריינג'ר.

שיטות

ניסוי זה בוצע על חולדות ויסטאר זכריות נטולות פתוגנים במשקל 210-230 גרם (9-10 שבועות) שהתקבלו מבית החיות של אוניברסיטת טרביאט מודרס (טהרן, איראן). חולדות הוחזקו במתקני מחקר סטנדרטיים לבעלי חיים, שבהם היו זמינים מזון ומים. לצורך השתלת אלקטרודות, הרדמה בוצעה באמצעות קטמין/קסילזין (100 מ"ג/ק"ג ו-10 מ"ג/ק"ג, בהתאמה), והראש תוקן. לאחר מכן, שתי אלקטרודות הקלטה מנירוסטה (קוטר 127 מיקרומטר, AM system Inc., ארה"ב) הושתלו ב-OB (AP: 8.5 מ"מ, ML: − 1 מ"מ, DV: − 1.5 מ"מ), ובחלק לרוחב של EC ( AP: − 7.04 מ"מ; L: − 5.5 מ"מ; DV: − 6.5 מ"מ). כדי לאשר את מיקום האלקטרודה, בוצע הנגע במקום האלקטרודה, מוחה של החיה תוקן עם 4 אחוז פרפורמלדהיד, והוכן קטע עטרה של 200 מיקרומטר של המוח. פרוסות המוח הושוו לפרוסות התואמות חזותית באטלס מוח החולדות (איור 1b) [24].

לאחר שבועיים של התאוששות מהניתוח, לצורך הקלטת אותות LFP, תוקן שקע ה-head על ראשי החיות, אשר חובר לשלב ראש החיץ המיניאטורי עם עכבת כניסה גבוהה (BIODAC-A, TRITA Health Tec., Tehran, איראן). האותות הוגברו (הגברת הגברה של 1,000), עבר דיגיטציה ב-1 קילו-הרץ והוסנו במעבר נמוך<250 hz="" via="" ac="" coupled="" with="" the="" recording="" system="" (biodac="" esr18622,="" trita="" health="" technology="" co.,="" tehran,="" iran).="" ten,="" we="" recorded="" lfp="" signals="" simultaneously="" from="" ob="" and="" ec="" of="" rats="" spontaneously="" alternating="" in="" the="" y-shaped="" maze.="" te="" signals="" are="" processed="" offline="" using="" custom-written="" matlab="" software="" (math="" works="" inc.,="">

למשימת זיכרון העבודה המרחבי נבחר מבוך פרספקס שחור בצורת Y באורך 50 ס"מ, רוחב 10 ס"מ וגובה של 25 ס"מ. בעלי חיים הורגלו במשך 2 ימים רצופים במבוך. לאחר מכן, החיות הונחו בנפרד במרכז זרוע אחת, שתוגדר להלן כזרוע A, מה שמאפשר להן לחקור במשך 10 דקות בחופשיות. החלפות ספונטניות נספרו לפי הפרוטוקול הקודם של הערכת עבודה [25]. בקצרה, הביצוע הנכון הוגדר כחילופין של בעלי חיים לזרוע חדשה (כלומר, ביקור מ-A ל-B או C, המיועדים לזרועות האחרות, בהתאמה). בנוסף, ניסויים שגויים נחשבים לנסיעה חזרה לזרוע מנוסה בעבר, כגון ABA נע. כל התנועות תועדו במצלמת וידאו צמודת תקרה אשר הייתה מסונכרנת עם הקלטת LFP. חולדות עם אלקטרודות שלא היו במקומן או שלא יכלו לבצע את המשימה לא נכללו במחקר. כל הנהלים היו בהתאם להנחיות NIH לטיפול ושימוש בחיות מעבדה (2011) ואושרו על ידי ועדת האתיקה של הפקולטה למדעי הרפואה, אוניברסיטת תרביאט מודרס (IR.MODARES.REC.1398.037).

עיבוד אות

השתמשנו בתקופה ספציפית של האותות שנרשמו במהלך ביצועי זיכרון עבודה מרחבי במבוך Y. כל תקופה נבחרה שניה אחת לפני ובמהלך חקר בעלי חיים במרכז המבוך, הן עבור ניסויים נכונים והן שגויים. זיהינו דלתא (<4 hz),="" theta="" (4–12="" hz),="" low-gamma="" (30–50="" hz),="" and="" high-gamma="" (50–80="" hz)="" via="" applying="" low-="" and="" bandpass="" filtering="" (fig.="" 1a).="" to="" calculate="" ob="" and="" ec's="" coherence,="" computed="" magnitude-squared="" coherence="" by="" the="" mscohere="" function="" in="" matlab="" was="" used.="" phase-power="" analysis="" was="" done="" by="" first="" obtaining="" the="" lfp="" phase="" by="" computing="" hilbert's="" transform="" phase="" of="" the="" filtered="" signal="" in="" low="" frequencies="" (delta="" and="" theta)="" bands="" and="" gamma="" power="" calculated="" using="" the="" spectrogram="" with="" one="" sample="" time="" step.="" ten,="" we="" binned="" the="" low-frequency="" phases="" into="" 120="" bins,="" each="" 3°="" wide,="" and="" the="" average="" power="" of="" gamma="" samples="" was="" calculated="" in="" each="" bin.="" coupling="" strength="" was="" expressed="" as="" the="" resultant="" length="" vector,="" which="" was="" the="" average="" of="" power="" vectors="" in="" the="" low-frequency="" phases.="" finally,="" to="" soften,="" we="" used="" the="" gaussian="" kernel="" with="" a="" standard="" deviation="" of="" 10="" and="" a="" size="" of="" 100="" [26,="">

צימוד שלב-שלב חושב על פי המחקר האחרון שלנו [28]. בקצרה, אנו מחשבים מטריצה ​​שהאלמנט שלה (i, j) מייצג את היחס בין המספר הכולל בדגימות זמן ששלב ה-OB בתנודות בתדר נמוך (דלתא ותטא) ממוקמות במספר הפח הזוויתי I בו-זמנית עם שלב של תדרים גבוהים EC (גמא 1 ו-2) בפח הזוויתי של המספר j. כדי להעריך את זרימת המידע מ-OB ל-EC, מדדנו את מדד הסיבתיות של Granger. ניתוח זה מבוסס על הרעיון שתנודות באזור מוח אחד עוזרות לחזות אחרים [29]. בהקשר זה, יישמנו את שיטת הקוהרנטיות החלקית (PDC), בהנחה שידע העבר על ה"סיבה" שיפר את החיזוי של המצב הנוכחי של ה"אפקט", בניגוד לחיזוי, שמשתמש רק בעבר ההשפעות. תחילה בחנו את הנייחנות של מסביב לאותות והערכנו את סדר המודל האוטורגרסיבי (p=100) באמצעות קריטריון המידע של Akaike לחישוב PDC. לאחר מכן, על ידי חישוב המקדמים של המודל האוטורגרסיבי, העברנו את המקדמים לתחום התדר באמצעות טרנספורמציה פורייה בדיד [30-35].

תפקוד לקוי של זיקפהבחֲסִינוּת

ניתוח סטטיסטי

GraphPad Prism (GraphPad Software, San Diego, CA) שימש לניתוחים סטטיסטיים. תקינות חלוקת הנתונים הוערכה עם מבחן Kolmogorov-Smirnov בתוך כל פרמטר. מבחן ה-t המזווג שימש להשוואת נתונים. המובהקות הסטטיסטית הוגדרה כרמות הנמוכות מ-0.05.

תוצאות

תנודות OB קוהרנטיות עם EC במהלך ניסיונות ביצועים נכונים של זיכרון עבודה מרחבי

הקלטנו בו זמנית LFP מ-OB ו-EC במהלך חילופין ספונטני במבוך Y כדי לחקור את קישוריות מעגל OB-EC בביצועי זיכרון העבודה המרחבי. ראינו שהקוהרנטיות OB–EC בטווח הדלתא והתטא במהלך ניסויים נכונים הייתה גבוהה משמעותית מאשר בניסויים שגויים (p<0.05; fig.="" 2a–c).="" in="" addition,="" the="" coherence="" of="" gamma="" 1="" (30–50="" hz)="" and="" gamma="" 2="" (50–80="" hz)="" oscillations="" of="" the="" ob–ec="" circuit="" was="" significantly="" higher="" during="" correct="" spatial="" working="" memory="" performance=""><0.05, fig.="" 2d–f).="" therefore,="" the="" enhanced="" coherence="" at="" both="" low="" and="" high="" frequencies="" in="" the="" ob–ec="" circuit="" is="" associated="" with="" correct="" spatial="" working="" memory="">

שלב ה-OB מווסת בחוזקה את הספק והפאזה של EC במהלך ביצועי זיכרון עבודה נכונים

ראינו שהשלב של תנודות דלתא ותטא ב-OB מווסת מאוד את כוח הגמא ב-EC במהלך ניסויים נכונים (איור 3). הצימוד של שלבי OB בתדר נמוך עם שלבי EC גמא-2 היה מוגבר באופן מובהק שגוי בהשוואה לניסויים שגויים (איור 4). עם זאת, לא נמצאו שינויים בולטים בנעילת שלב OB–EC דלתא או תטא גמא-1 במהלך ניסויים נכונים לעומת שגויים. בסך הכל, ניתוח זה גילה כי תנודות גמא EC תלויות במעבר הפאזה של אותות OB כאשר בעלי חיים ביצעו נכון את משימת זיכרון העבודה.

זרימת המידע מ-OB ל-EC גדלה במהלך ביצועי זיכרון עבודה נכונים

בנוסף, חקרנו האם תנודות EC קשורות סיבתית לאותות OB, בעוד שבעלי חיים ביצעו את משימת זיכרון העבודה המרחבי. ניתוח סיבתיות של גריינג'ר גילה שזרימת המידע מ-OB ל-EC בתנודות גמא גדלה כאשר חולדות ביצעו את הביצועים הנכונים במשימת זיכרון העבודה (איור 5). תוצאות אלו תומכות ברעיון ש-OB הוא לא רק מודולטורי אלא גם בעל השפעה סתמית על EC במהלך ביצועי זיכרון עבודה נכונים.

דִיוּן

התוצאות שלנו גילו כי קוהרנטיות OB-EC עלתה ברצועות הדלתא, התטא והגמא במהלך ניסויי משימות זיכרון עבודה מרחבי נכונים. יתרה מכך, לשלב של תדרים נמוכים OB הייתה השפעה מודולטורית יותר על עוצמת הגמא והפאזה של EC במהלך ביצועי זיכרון עבודה מוצלחים. בנוסף, זרימת המידע מ-OB ל-EC הוגברה כאשר בעלי חיים ביצעו נכון את משימת זיכרון העבודה.

פעילות קוהרנטית היא סימן היכר של רשתות נוירונים במהלך ביצועים קוגניטיביים, הדורשת צימוד מבני של נוירונים [36]. בהתחשב בכך של-OB ו-EC יש קשרים מונו-סינפטיים ופעילויותיהם קשורות באופן נרחב לזיכרון העבודה, הנחנו שקישוריות משופרת במעגל OB-EC עשויה לייצג ביצועים נכונים. כדי לבדוק השערה זו, הערכנו את הקישוריות הפונקציונלית OB-EC כאשר חולדות ביצעו את משימת ה-Y-maze. הניתוח שלנו הראה כי תנודות OB בטווחי תדרים נמוכים וגבוהים הן קוהרנטיות מאוד עם פעילות EC כאשר חולדות ביצעו את התגובה הנכונה. דווח כי תנודות קוהרנטיות בטווחי תדרים נמוכים, כולל דלתא ותטא, מתווכות את האינטראקציה בין אזורי מוח במשימות קוגניטיביות בקנה מידה גדול כמו ביצועי זיכרון [37, 38]. יתרה מכך, תנודות קוהרנטיות בתדר גבוה נחשבו גם לקשר בין מכלולים עצביים מבוזרים, פונקציה שכנראה חשובה לתהליכי רשת [39-41]. כאן, ממצאי הקוהרנטיות מצביעים על התקשורת ההדוקה בין OB ו-EC לקידום ביצועי זיכרון עבודה.

ישנן עדויות הולכות ומדגימות שפעילות OB גוררת תנודות LFP באזורים נרחבים במוח המכרסם [42]. להלן הממצאים שלנו ייצגו קוהרנטיות חזקה; לאחר מכן אנו שואלים אם ביצועי זיכרון העבודה הנכונים מקודדים על ידי אפנון של תנודות EC על ידי פעילות OB. מעניין לציין שתוצאות ניתוח צימוד הספק פאזה OB-EC שלנו הראו כי צימוד דלתא-גמא ותטא-גמא גבוהים משמעותית במהלך ניסויים נכונים. יתרה מכך, שלבי הדלתא והתטא של OB מווסתים את השלב של תנודות פס גמא נמוך או גבוה ב-EC במהלך זיכרון עבודה מרחבי, והערך של אפנון כזה עלה במהלך הביצועים הנכונים. ממצאים אלה עולים בקנה אחד עם מחקרים קודמים שהציעו כי CFC ברחבי אזורי המוח ממלא תפקיד פונקציונלי בחישוב, תקשורת ולמידה נוירונים [43-45].

חשוב לציין, ניתן להציע שתנודות גמא בתצורת ההיפוקמפוס, התורמות לביצועי זיכרון, יכולות להיות מווסתות על ידי קצב OB. בעבר דווח כי תנודות גמא בהיפוקמפוס מורכבות משני מרכיבי תדר נפרדים (גמא נמוכה וגמא גבוהה). בדיוק, גמא גבוהה בהיפוקמפוס שהועלתה מ-EC, נדמה כי תנודות גמא נמוכות נוצרות ממקורות פנימיים [46, 47]. התוצאה שלנו הראתה שתנודות ב-EC לרוחב, המחוברות הדדית ל-OB באמצעות תחזיות ישירות [12, 13] מונעות מ-OB כאשר בעלי חיים ביצעו את זיכרון העבודה בפעם הראשונה. לכן, תנודות OB דרך אפנון של EC עשויות להשפיע על פעילות הגמא בהיפוקמפוס לתרום לביצועים מוצלחים של זיכרון עבודה. עם זאת, נדרשים מחקרים נוספים כדי להבין טוב יותר את המנגנונים של OB בתנודות המוח ובביצועים התנהגותיים.

cistamcheעל אודותחֲסִינוּת

בעוד שתנודות בתדר גבוה מייצגות עיבוד קליפת המוח המקומי, מקצבים בתדר נמוך יכולים לסחוף באופן דינמי על פני אזורי מוח מבוזרים [47]. CFC מהווה מנגנון להעברת מידע בתוך מעגלי מוח הפועלים בביצועים התנהגותיים [47]. תצפיות אלו מאששות את ההשערה שלנו ש-OB יכול לתאם EC במהלך ביצועי זיכרון עבודה.

שאלה מסקרנת היא כיצד OB מניע את ההשפעות הללו? התשובה האפשרית היא מניע פנימי ב-OB המייצר ומקל על מקצבי מוח מקומיים וגם למרחקים ארוכים. ביונקים, OB מבטא תנודות עצביות בולטות [48, 49], אשר הוכח כמסנכרן פעילויות עצביות של רשתות המוח [50]. תנודות אלו נוצרות במהלך הנשימה האף על ידי גירוי נוירוני חוש הריח (OSNs) [51]. תנודות עצביות חושניות הננעלות בשלבים למחזורי נשימה, הנקראות תנודות מוח הנלוות בנשימה [12], מגיעות לאזורים מרוחקים [52, 53] ומווסתות פעילות קצבית באזורים שאינם ריחניים [54]. לכן, מקצבים אלה מסנכרנים תנודות OB עם אזורים למרחקים ארוכים, במיוחד במהלך ביצועים קוגניטיביים [42]. לדוגמה, דווח כי OB והיפוקמפוס הסתנכרנו בתנודת תטא במהלך ביצועים קוגניטיביים [55, 56].

יתרה מכך, תנודות דלתא מוגברות במהלך משימת זיכרון עבודה מרחבית ב-mPFC, VTA והיפוקמפוס [57], הונחו כלואים על ידי קצב נשימה [42]. עם זאת, בפעם הראשונה, תוצאות העבודה הנוכחיות הראו כי תנודות OB יכולות לווסת את פעילויות ה-EC במהלך ביצועי זיכרון העבודה. ההסבר שלנו לתצפיות אלו הוא ש-OSNs דרך נשימה באף עשויים לתאם תנודות OB, ואז OB מניע את השינויים באזורים מרוחקים, כולל EC. הוכח כי ל-OSN יש פונקציות כפולות המגיבות לא רק לגירוי הכימי (ריח), אלא גם מופעלות על ידי זרימת אוויר באף [51]; לכן, סביר להניח שתנודות OB נוצרות עם זרימת אוויר נטולת ריח באמצעות גירוי מכני OSN [51, 58]. בנוסף לנשימה, קלט מידע חושי אחר יכול גם להשפיע על הקישוריות במעגל OB–EC [59, 60]. לדוגמה, נתונים ניסיוניים אישרו כי הביטוי של ייצוגים ספציפיים לריח ב-EC נדרש כדי להנחות ניווט במהלך ביצועי זיכרון אסוציאטיביים מוצלחים [59]. יתר על כן, הרחה כקלט חושי עיקרי במהלך ביצוע קוגניטיבי נקשר גם לתנודות ההיפוקמפוס במהלך למידה [55]. עם זאת, יש צורך במחקרים נוספים כדי לחשוף את המנגנון הבסיסי שבו OB מווסת EC במהלך ביצועי זיכרון העבודה.

תנודות OB הוכחו בעבר כגורמות לקצב ההיפוקמפוס [61]. לכן, הנחנו עוד שפעילות EC היא קוהרנטית ומאופנת עם תנודות OB, אך גם תנודות EC קשורות סיבתי לפעילות OB. במחקר הנוכחי, חישוב הסיבתיות של Granger הוכיח שהעלייה בזרימת המידע מ-OB ל-EC קשורה לביצועים נכונים של זיכרון העבודה. העדויות הללו, התואמות את הממצאים האחרים שלנו, תומכות במודל שבו ה-OB שולח מידע ל-EC שעשוי להיות חיוני לביצועים מוצלחים במהלך זיכרון העבודה.