Konsolidasi Representasi Memori Seluler di Neokorteks Superfisial

RINGKASAN

Konsolidasi memori tingkat sistem, sebuah konsep kunci dalam penelitian memori, melibatkan konversi memori yang bergantung pada hipokampus untuk pembentukannya menjadi bentuk independen hipokampus yang efisien, yang mungkin dikodekan oleh koneksi kortikokortikal. Namun, sedikit yang dipahami tentang sifat kode saraf terkonsolidasi pada tingkat ansambel seluler.

Ingatan tingkat sistem mengacu pada preferensi atau pola perilaku yang dikembangkan seseorang di awal kehidupannya dan semakin mendalam seiring berjalannya waktu. Memori tingkat sistem memengaruhi pemikiran, tindakan, dan keputusan seseorang. Itu adalah perilaku bawah sadar.

Sebaliknya, ingatan mengacu pada kemampuan seseorang untuk mengingat dan menyimpan informasi. Ingatan yang baik membantu kita mempelajari keterampilan, memecahkan masalah, dan mencapai kesuksesan. Namun, untuk memiliki memori yang prima, kita memerlukan dukungan memori tingkat sistem.

Memori tingkat sistem meningkatkan memori kita karena memberikan kita kerangka kerja untuk memperoleh pengetahuan baru. Setiap kali kita mempelajari hal-hal baru, kita biasanya menghubungkannya dengan apa yang telah kita pelajari sebelumnya. Koneksi ini membentuk struktur pengetahuan yang kokoh yang membantu kita lebih memahami dan mengingat informasi baru.

Selain itu, memori tingkat sistem dapat memengaruhi cara kita berpikir. Jika kita mengembangkan sikap positif dalam memecahkan masalah, kita akan berpikir lebih jernih dan cepat, sehingga lebih mudah menyimpan informasi dan menyelesaikan masalah. Sebaliknya, jika kita mengembangkan sikap negatif dan pasif, pemikiran kita akan menjadi lambat dan kabur, sehingga menghambat ingatan dan kemampuan belajar kita.

Oleh karena itu, kita harus berusaha untuk mengembangkan memori tingkat sistem yang baik, yang akan membantu meningkatkan memori dan tingkat keberhasilan kita. Kebiasaan-kebiasaan baik dapat kita kembangkan dengan bergerak ke arah positif dan menjadikannya mendarah daging dalam kehidupan kita sehari-hari, sehingga membentuk sikap pemecahan masalah yang positif dan proaktif. Dengan cara ini, kita dapat memanfaatkan memori tingkat sistem dengan lebih baik untuk meningkatkan memori dan kemampuan belajar kita. Terlihat bahwa kita perlu meningkatkan daya ingat, dan Cistanche deserticola dapat meningkatkan daya ingat secara signifikan karena Cistanche deserticola merupakan bahan obat tradisional Tiongkok yang memiliki banyak khasiat unik, salah satunya meningkatkan daya ingat. Khasiat daging cincang berasal dari berbagai bahan aktif yang dikandungnya, antara lain asam, polisakarida, flavonoid, dll. Bahan-bahan tersebut dapat meningkatkan kesehatan otak dengan berbagai cara.

Klik tahu 10 cara meningkatkan daya ingat

Tikus memerlukan hipokampus yang utuh untuk pembelajaran spasial ''virtual'' dan untuk mengembangkan representasi neokortikal dari pengalaman terkait. Kami menemukan bahwa, sementara lingkungan virtual baru tidak dipelajari atau direpresentasikan dalam korteks superfisial setelah kerusakan parah pada hipokampus, ingatan yang dipelajari sebelum operasi dan representasi ansambel saraf yang jarang dan tersebar luas di lapisan kortikal II-III dipertahankan, suatu sine qua non konsolidasi memori. Temuan ini memberikan jendela baru untuk studi masa depan tentang mekanisme konsolidasi memori seluler.

PERKENALAN

Kerusakan pada formasi hipokampus sangat mengganggu perolehan memori ''episodik'' yang baru.1,2 Fenomena ini mungkin terkait dengan posisi hipokampus di puncak hierarki area asosiasi neokortikal, dan fakta bahwa jumlah neuron kortikal jauh melebihi jumlah koneksi yang dapat didukung oleh neuron tertentu (Schwindel & McNaughton, 2011, untuk tinjauan).3 Jarangnya koneksi ini berarti bahwa pembentukan asosiasi sewenang-wenang secara real-time (terutama yang bersifat jarak jauh) akan sulit karena sinapsis yang diperlukan antara dua sel neokortikal aktif yang sewenang-wenang kemungkinan besar tidak ada sebelumnya.

Neokorteks mungkin mengatasi masalah ini melalui pembentukan asosiasi tidak langsung yang cepat di antara neuron-neuron yang aktif saat ini, yang dimediasi oleh pola umum yang bersifat top-down dari hipokampus. Menurut pandangan ini, setiap pengalaman unik menghasilkan pola unik dan jarang yang sesuai di hipokampus, yang berfungsi sebagai konteks atau ''indeks''4–6 pada kumpulan neuron kortikal yang saat ini aktif. Pola-pola ini unik sesuai dengan lokasi dan sifat setiap pengalaman (misalnya Leutgeb dkk.7). Plastisitas asosiatif dalam proyeksi umpan balik dari hipokampus (“indeks”) ke sel kortikal aktif yang sesuai (“atribut”) ') akan memungkinkan pengambilan atribut memori selanjutnya.

Jadi, setidaknya pada awalnya, memori dikodekan sebagai koneksi antara hipokampus dan korteks, bukan antar sel kortikal secara langsung. Beberapa ingatan dan perilaku yang dipelajari tidak pernah kehilangan ketergantungannya pada hipokampus yang utuh; namun, beberapa di antaranya menjadi resisten seiring berjalannya waktu terhadap kerusakan hipokampus,8 menunjukkan bahwa koneksi kortiko-kortikal yang sesuai, cukup untuk menggantikan koneksi hipokampus-kortikal, berkembang seiring waktu dan menjadi dominan.

Proses ini mungkin juga menyertai ekstraksi struktur dari memori ke dalam pengetahuan ''semantik'' korteks,9-15 yang umumnya bertahan ketika hipokampus hilang. Meskipun telah banyak penelitian mengenai dinamika perilaku dan ekspresi gen dalam proses konsolidasi memori ini, hanya terdapat sedikit penelitian pada tingkat pengkodean seluler mengenai sifat dan lokasi representasi memori yang tidak bergantung pada hipokampus di korteks.

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa, selama penjelajahan serangkaian lokasi (baik nyata atau virtual), neuron kortikal, terutama di korteks superfisial, mengembangkan rangkaian aktivitas saraf yang jarang dan berkorelasi posisi,16-19 seperti halnya di hipokampus.

Pada tikus utuh, sel-sel yang berkorelasi dengan posisi muncul di korteks dalam beberapa sesi dalam sebuah ''lingkungan'' virtual baru, yang terdiri dari sabuk treadmill dengan isyarat ''spasial'' yang terpasang,20 namun berkembang buruk pada tikus dengan lesi hipokampus dorsal. 16,17 Di sini, kami menunjukkan bahwa representasi kortikal superfisial dari lingkungan virtual yang dipelajari sebelum operasi dipertahankan setelah lesi hipokampus, begitu pula memori spasial yang terkait, sedangkan tikus yang sama tidak mempelajari lingkungan baru pasca operasi atau mewakilinya sebagai sel yang berkorelasi dengan posisi. di korteks superfisial.

HASIL

Pencitraan dua foton Ca2+ digunakan untuk merekam aktivitas saraf pada tikus selama berlari dengan kepala tetap pada sabuk treadmill yang berisi beberapa isyarat visuotactile (Gambar 1; Metode STAR), sebelum dan sesudah lesi bilateral pada hipokampus dorsal. Hewan diuji pada sabuk ''familiar'' yang sama sebelum dan sesudah lesi hipokampus (atau operasi palsu). Sabuk ''baru'' dengan set isyarat berbeda digunakan untuk periode pra dan pasca operasi (lesi/palsu) setelah (kembali) mengenal sabuk ''akrab''. Kami melacak aktivitas saraf di tiga area neokortikal: korteks retrosplenial (RSC), korteks motorik sekunder, dan korteks somatosensori primer.

Lesi hipokampus menyebabkan amnesia anterograde tetapi tidak retrograde untuk lokasi penghargaan dalam lingkungan spasial virtual

Setiap sabuk memiliki lokasi virtual tertentu di mana hadiah air dikirimkan (Gambar 1C). Sebelum operasi, kedua kelompok menunjukkan perilaku serupa di lingkungan yang familiar dan baru. Gambar S2. Kecepatan lari pasca operasi pada sabuk familiar dan baru juga serupa antara kelompok palsu dan lesi. Pasca operasi, kelompok palsu dan lesi melakukan sejumlah upaya yang sebanding untuk mendapatkan rewardport sepanjang percobaan (Gambar 2- kiri); Namun, distribusi jilatan di lingkungan baru berbeda secara signifikan antar kelompok.

Untuk kelompok palsu, sebagian besar jilatan terkonsentrasi di lokasi hadiah, baik di lingkungan yang familiar maupun baru. Perilaku yang sama ditunjukkan oleh kelompok lesi di lingkungan yang familiar; namun, dalam lingkungan baru, sebagian besar tikus yang terkena dampak berada di luar zona hadiah. (Gambar 2-tengah, kanan). Dengan demikian, memori pra-operasi tetap dipertahankan, namun pembelajaran di lingkungan baru sangat terganggu. Ini adalah ciri khas konsep konsolidasi memori.

Neuron kortikal mempertahankan pengkodean lingkungan spasial yang familiar setelah hipokampus, tetapi pengkodean lingkungan baru gagal terbentuk.

Kami menggunakan kriteria yang relatif liberal (lihat Metode STAR) untuk mengkategorikan sel sebagai ''selektif secara spasial'' dan untuk menentukan ''bidang tempat'' sel. Secara keseluruhan, tidak ada perbedaan antar kelompok (lesi vs palsu) atau antar lingkungan (F, N) di salah satu dari tiga wilayah kortikal dalam proporsi sel yang melewati ambang selektivitas, yang secara keseluruhan sekitar 40% dengan kriteria liberal ini. (Gambar S3A). Namun, untuk lingkungan baru, sel-sel yang memenuhi kriteria selektivitas secara keseluruhan kurang selektif secara spasial dan secara kolektif membentuk populasi yang kurang seragam yang mengkode sabuk pada kelompok lesi (Gambar 3A dan 3B). Perbedaan ini dikaitkan dengan peningkatan proporsi sel kelompok lesi dengan beberapa bidang tempat, bukan hanya satu bidang (Gambar S3B).

Munculnya pengkodean posisi kortikal lapisan II-III dikuantifikasi menggunakan ukuran konten informasi spasial pada basis per neuron21 untuk semua sel yang melewati ambang selektivitas spasial. Beberapa kelupaan diperkirakan terjadi pada 30-hari istirahat antara sesi pra-lesi/palsu terakhir dan sesi pertama pasca operasi. Memang benar, terdapat degradasi konten informasi spasial (lupa) yang bergantung pada waktu di lingkungan yang familiar ; namun, memori familiar pulih selama sesi pada tikus lesi dan palsu, tanpa perbedaan antar kelompok (Gambar 3C-atas). Tikus palsu menunjukkan perolehan normal representasi kortikal dari lingkungan baru (Belt 3); namun, kelompok lesi menunjukkan sangat sedikit informasi spasial di lingkungan baru di RSC (Gambar 3C-bawah). Di semua wilayah kortikal, kandungan informasi spasial neuron serupa antara palsu dan lesi pada lingkungan yang familiar, sementara jumlah ini berkurang secara signifikan pada kelompok lesi pada lingkungan baru (Gambar 3D dan 3E).

Kami mengukur keandalan pengkodean spasial pada tingkat populasi dengan menghitung kesalahan penguraian kode putaran demi putaran, menggunakan dekoder Bayesian (Metode STAR). Selama fase pasca operasi, distribusi posisi yang diterjemahkan sebagai fungsi dari lokasi hewan menunjukkan bahwa decoder dari kelompok lesi di lingkungan baru memberikan estimasi posisi yang kurang akurat (Gambar 4A). Ada peningkatan substansial (2x) dalam kesalahan decoding di lingkungan baru di ketiga wilayah kortikal, pada kelompok lesi, namun tidak pada kelompok palsu, dan tidak ada peningkatan pada lingkungan akrab pada kelompok mana pun (Gambar 4B).

DISKUSI

Secara keseluruhan, meskipun lesi hipokampus sangat mengganggu munculnya sel-sel yang berkorelasi dengan posisi yang mewakili lingkungan virtual baru, dan juga mengganggu pembelajaran spasial dalam konteks baru tersebut, representasi dari lingkungan familiar yang terpapar sebelum operasi dan memori untuk lokasi hadiah di lingkungan tersebut terhindar. . Aktivitas penembakan tikus yang terkena lesi secara spasial dan selektif dalam lingkungan baru cenderung mengarah pada penembakan di sekitar isyarat yang menonjol. Respons non-selektif atau selektif lemah pada isyarat-isyarat yang menonjol sering terjadi pada tikus yang terkena lesi di lingkungan baru, sehingga menimbulkan beberapa bidang ''tempat'', yang mungkin berkontribusi pada kesalahan penguraian kode spasial yang lebih tinggi.

Lesi itu sendiri merusak 50% atau lebih hipokampus dorsal, namun sebagian besar hipokampus ventral tetap utuh (Gambar 1E). Oleh karena itu, kami tidak dapat menyimpulkan bahwa memori yang dipertahankan sepenuhnya independen dari aliran keluar hipokampus22 meskipun banyak penelitian menunjukkan bahwa hipokampus dorsallah yang paling diperlukan untuk pembelajaran spasial23,24 dan keluarannya terfokus pada korteks retrosplenial.25–28 Kedua kelompok menunjukkan penurunan dalam penyesuaian spasial untuk lingkungan yang familiar selama 30-interval hari antara uji coba pra-lesi/palsu terakhir dan uji coba pertama pasca-lesi/palsu. Apakah hal ini disebabkan oleh berlalunya waktu atau karena prosedur pembedahan (misalnya anestesi) tidak diketahui; Namun, dinamika ini menunjukkan bahwa beberapa jejak pengkodean sebelumnya dipertahankan, sedangkan pengkodean baru mengalami gangguan. Salah satu penjelasan yang mungkin untuk penurunan penyesuaian spasial selama 30 hari adalah bahwa hipokampus yang utuh memungkinkan pembentukan koneksi sinaptik baru di korteks yang mungkin kehilangan kemanjurannya seiring berjalannya waktu tetapi secara fisik tetap ada sehingga dapat dipotensiasi kembali saat terpapar kembali ke lingkungan. lingkungan yang akrab.

Penjelasan lain adalah bahwa pengkodean disimpan di lapisan korteks yang lebih dalam, yang tidak dapat diakses oleh pencitraan dalam penelitian ini. Telah diketahui secara luas bahwa paparan ulang terhadap lingkungan yang familiar tidak penting agar proses konsolidasi memori dapat terjadi; hal ini juga dapat terjadi selama periode ''offline'' seperti tidur gelombang lambat.4 Namun, pengambilan proses yang terkonsolidasi mungkin memerlukan pemaparan ulang karena tidak adanya hipokampus.

Secara keseluruhan, hasil penelitian ini menunjukkan bahwa hipokampus yang utuh memungkinkan korteks superfisial mengembangkan representasi pengalaman berada di lokasi tertentu yang jarang dan selektif dalam konteks perilaku dan sensorik tertentu dan bahwa kode-kode saraf yang muncul ini tetap bertahan setelah kerusakan hipokampus cukup untuk mencegah pembelajaran baru di hipokampus. tingkat saraf dan perilaku dalam kondisi yang sama. Temuan ini memberikan kerangka kerja baru untuk mempelajari dasar seluler dan molekuler dari memori jangka panjang yang tidak bergantung pada hipokampus.

Keterbatasan penelitian

Mengingat ukuran sampel yang terbatas, hanya satu area kortikal dari tiga wilayah yang diteliti yang dapat dinilai dengan kekuatan statistik yang wajar selama fase pemaparan/paparan ulang percobaan, selama hari pencatatan berturut-turut. Kami memilih korteks retrosplenial dengan mempertimbangkan fakta bahwa ia menerima proyeksi langsung dari hipokampus dorsal. Kami mengamati bahwa setelah lesi hipokampus, representasi saraf dari lingkungan yang familiar di korteks retrosplenial secara bertahap diperoleh kembali dengan paparan berulang. Namun, hal ini tidak mengesampingkan fakta bahwa area kortikal lainnya mungkin pulih lebih cepat. Selain itu, pertukaran antar wilayah yang terdistribusi dapat berkontribusi terhadap pemulihan ini, yang tidak dapat ditentukan kecuali dua atau lebih wilayah dievaluasi secara bersamaan. Oleh karena itu, bagaimana jejak memori spasial dipertahankan dan ''dipotensiasi ulang'' di berbagai area kortikal, setelah hilangnya hipokampus, masih harus ditentukan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami berterima kasih kepada Dr. M. Mohajerani atas supervisi/administrasi mikroskop dan fasilitas peternakan hewan, Jennifer Tarnowsky atas dukungan logistik, Valerie Lapointe dan Karim Ali atas dukungan teknis, serta WestGrid dan Compute Canada atas dukungan TI. BLM mengakui pendanaan dari Program Hibah Proyek Penelitian NIH (R01) [no. NS121764], Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA) [no. HR0011-18-2-0021], Dewan Riset Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada (NSERC) [no. 1631465], dan Institut Penelitian Kesehatan Kanada (CIHR) [no. PJT 156040]. HC didukung oleh Beasiswa Pascasarjana Kanada untuk Program Doktoral (NSERC CGS-D).

KONTRIBUSI PENULIS

IME dan BLM mengkonsep eksperimen tersebut. IME dan ARN melakukan percobaan dan mengumpulkan data. IME, HC, dan BLM menganalisis dan menafsirkan data. IME, HC, dan BLM menulis naskah, yang dibantu oleh semua penulis untuk direvisi.

PERNYATAAN KEPENTINGAN

Para penulis menyatakan bahwa mereka tidak memiliki kepentingan bersaing.

REFERENSI

1. Scoville, WB, dan Milner, B. (1957). Hilangnya ingatan terkini setelah lesi hipokampus bilateral. J.Neurol. Bedah Saraf. Psikiatri 20, 11–21.https://doi.org/10.1136/jnnp.20.1.11.

2. Yonelinas, AP, Kroll, NEA, Quamme,JR, Lazzara, MM, Sauve´, MJ, Widaman,KF, dan Knight, RT (2002). Efek kerusakan lobus temporal yang luas atau hipoksia ringan pada ingatan dan keakraban. Nat.Neurosci. 5, 1236–1241.https://doi.org/10.1038/nn961.

3. Schwindel, CD, dan McNaughton, BL (2011). Interaksi hipokampus-kortikal dan dinamika reaktivasi jejak memori. Prog. Resolusi Otak. 193, 163–177.https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53839-0.00011-9.

4. McNaughton, BL (2010). Hierarki kortikal, tidur, dan ekstraksi pengetahuan dari memori. Artif. Intel. 174.205–214.https://doi.org/10.1016/j.artint.2009.11.013.

5. Teyler, TJ, dan DiScenna, P. (1986). Teori pengindeksan memori hipokampus. Perilaku. ilmu saraf. 100, 147–154. https://doi.org/10.1037/0735-7044.100.2.147.6. Teyler, TJ, dan Rudy, JW (2007). Teori pengindeksan hipokampus dan memori episodik: memperbarui indeks. Hipokampus17, 1158–1169.https://doi.org/10.1002/hipo.20350.

7. Leutgeb, S., Leutgeb, JK, Barnes, CA,Moser, EI, McNaughton, BL, dan Moser,M.-B. (2005). Kode independen untuk memori spasial dan episodik dalam ansambel saraf hipokampus. Sains 309, 619–623.https://doi.org/10.1126/science.1114037.

8. Sutherland, RJ, dan Lehmann, H. (2011). Konsepsi alternatif konsolidasi memori dan peran hipokampus pada tingkat sistem pada hewan pengerat. Curr. Pendapat. Neurobiol. 21, 446–451.https://doi.org/10.1016/j.conb.2011.04.007.

9. Frankland, PW, dan Bontempi, B. (2005). Organisasi kenangan terkini dan terpencil.Nat. Pendeta Neurosci. 6, 119–130. https://doi.org/10.1038/nrn1607.10. Marr, D. (1970). Sebuah teori untuk CerebralNeocortex. Proses. R.Soc. London. B Biologi. Sains. 176.161–234.

For more information:1950477648nn@gmail.com