Сравнительный анализ активности возбуждающих и тормозных нейронов гиппокампа при извлечении ассоциативной обстановочной памяти

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В настоящей работе проведен анализ дифференциального вовлечения интернейронов и пирамидных нейронов различных областей гиппокампа в извлечение ассоциативной аверсивной памяти об обстановке. Для этого была использована модель ассоциативного обучения мышей, в которой формирование памяти о нейтральной обстановке и последующая ассоциация кратковременного предъявления этой обстановки с безусловным стимулом – электрокожным раздражением (ЭКР) – были значительно разнесены во времени. Активацию нейронов различных областей гиппокампа при извлечении сформированной таким образом ассоциативной обстановочной памяти исследовали с помощью иммуногистохимической детекции белкового продукта немедленного раннего гена c-fos. Извлечение ассоциативной памяти об обстановке сопровождалось увеличением количества с-Fos-положительных клеток в области СА1, но не в области СА3 и зубчатой фасции гиппокампа. Далее для специфического выявления возбуждающих нейронов использовали белковый маркер – продукт гомеобокс-содержащего гена Emx1, а для специфического выявления тормозных нейронов – маркер глутамат декарбоксилазу, GAD, продукт генов GAD1 и GAD2. По результатам двойного окрашивания на клеточные маркеры и белок c-Fos было показано, что при извлечении ассоциативной аверсивной памяти об обстановке в области СА1 гиппокампа активировались как положительные по маркеру Emx1 возбуждающие нейроны, так и, в несколько меньшей степени, тормозные интернейроны, положительные по маркеру GAD. При этом, независимо от типа поведенческого воздействия (извлечение ассоциативной памяти об обстановке, неассоциативной памяти об обстановке или обследование обстановки, сочетавшейся с ЭКР, но не запомненной животными), пропорция активированных возбуждающих и тормозных нейронов оставалась постоянной, изменялось только количество активированных клеток каждого типа. Полученные результаты свидетельствуют о специфическом участии нейронов области СА1 гиппокампа в ассоциативной обстановочной памяти, а также демонстрируют, что в кодировании такой памяти участвуют как возбуждающие, так и тормозные нейроны.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. А. Торопова

Институт перспективных исследований мозга, МГУ им. М.В. Ломоносова; Лаборатория нейронного интеллекта, МГУ им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: xen.alexander@gmail.com
Россия, Москва; Москва

О. И. Ивашкина

Институт перспективных исследований мозга, МГУ им. М.В. Ломоносова; Лаборатория нейронного интеллекта, МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: xen.alexander@gmail.com
Россия, Москва; Москва

Н. С. Воробьева

Институт перспективных исследований мозга, МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: xen.alexander@gmail.com
Россия, Москва

К. В. Анохин

Институт перспективных исследований мозга, МГУ им. М.В. Ломоносова; Лаборатория нейронного интеллекта, МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: xen.alexander@gmail.com
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Воробьева Н.С., Ивашкина О.И., Торопова К.А., Анохин К.В. Долговременная обстановочная память у мышей: продолжительность и способность к ассоциации с подкрепляющим воздействием. Журн. высш. нервн. деят. им. Павлова. 2016. 66 (3): 352–360.
  2. Торопова К.А., Трошев Д.В., Ивашкина О.И., Анохин К.В. Активация экспрессии c-Fos в ретросплениальной коре, но не гиппокампе, сопровождает формирование ассоциации между обстановкой и безусловным стимулом и ее последующее извлечение у мышей. Журн. высш. нервн. деят. им. Павлова. 2018. 68 (6): 759–774.
  3. Alexander A.S., Robinson J.C., Dannenberg H., Kinsky N.R., Levy S.J., Mau W. еt al. Neurophysiological coding of space and time in the hippocampus, entorhinal cortex, and retrosplenial cortex. Brain Neurosci Adv. 2020. 4: 2398212820972871.
  4. Alexander G.M., Riddick N.V., McCann K.E., Lustberg D., Moy S.S., Dudek S.M. Modulation of CA2 neuronal activity increases behavioral responses to fear conditioning in female mice. Neurobiol Learn Mem. 2019. 163: 107044.
  5. Barrientos R.M., Reilly R.C.O., Rudy J.W. Memory for context is impaired by injecting anisomycin into dorsal hippocampus following context exploration. Behav. Brain. Res. 2002. 134: 299–306.
  6. Besnard A., Gao Y., TaeWoo Kim M., Twarkowski H. et al. Dorsolateral septum somatostatin interneurons gate mobility to calibrate context-specific behavioral fear responses. Nat Neurosci. 2019. 22 (3): 436–446.
  7. Booker S.A., Vida I. Morphological diversity and connectivity of hippocampal interneurons. 2018. Cell Tissue Res. 373 (3): 619–641.
  8. Buhl E., Whittington M. Local Circuits. The Hippocampus Book. Ed. Per Andersen et al. New York: Oxford Neuroscience Series, 2006. 297–320.
  9. Chan C.-H., Godinho L.N., Thomaidou D., Tan S.-S., Gulisano M., Parnavelas J.G. Emx1 is a Marker for Pyramidal Neurons of the Cerebral Cortex. Cerebral Cortex. 2001. 11 (12): 1191–1198.
  10. Comeras L.B., Hörmer N., Mohan Bethuraj P., Tasan R.O. NPY Released from GABA neurons of the dentate gyrus specially reduces contextual fear without affecting cued or trace fear. Front. Synaptic Neurosci. 2021. 13: 635–726.
  11. Curzon P., Rustay N.R., Browman K.E. Cued and Contextual Fear Conditioning for Rodents. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. 2nd ed. Ed. Buccafusco J.J. Boca Raton: CRC Press/Taylor & Francis, 2009. Chapter 2.
  12. Dragunow M., Yamada N., Bilkey D.K., Lawlor P. Induction of immediate-early gene proteins in dentate granule cells and somatostatin interneurons after hippocampal seizures. Brain Res. Mol. Brain Res. 1992. 13 (1–2): 119–126.
  13. Eichenbaum H. What Versus Where: Non-spatial Aspects of Memory Representation by the Hippocampus. Curr Top Behav Neurosci. 2018. 37: 101–117.
  14. Fabene P.F., Andrioli A., Priel M.R., Cavalheiro E.A., Bentivoglio M. Fos induction and persistence, neurodegeneration, and interneuron activation in the hippocampus of epilepsy-resistant versus epilepsy-prone rats after pilocarpine-induced seizures. Hippocampus. 2004. 14 (7): 895–907.
  15. Franklin B.J., Paxinos G. The mouse brain in stereotaxic coordinates, 3rd ed. New York: Academic Press, 2007.
  16. Graham J., D’Ambra A.F., Jung S.J., Teratani-Ota Y., Vishwakarma N., Venkatesh R. et al. High-frequency stimulation of ventral CA1 neurons reduces amygdala activity and inhibits fear. Front Behav Neurosci. 2021. 15: 595049.
  17. Guo N., Soden M.E., Herber C., Kim M.T., Besnard A., Lin Pw. et al. Dentate granule cell recruitment of feedforward inhibition governs engram maintenance and remote memory generalization. Nat Med. 2018. 24 (4): 438–449.
  18. Heroux N.A., Horgan C.J., Stanton M.E. Prefrontal NMDAreceptor antagonism disrupts encoding or consolidation but not retrieval of incidental context learning. Behav. Brain. Res. 2021. 405: 113175.
  19. Hervig M.E., Thomsen M.S., Kalló I., Mikkelsen J.D. Acute phencyclidine administration induces c-Fos-immunoreactivity in interneurons in cortical and subcortical regions. Neuroscience. 2016. 334: 13–25.
  20. Houser C.R. Interneurons of the dentate gyrus: an overview of cell types, terminal fields and neurochemical identity. Prog. Brain Res. 2007. 163: 217–232.
  21. Jarzebowski P., Hay Y.A., Grewe B.F., Paulsen O. Different encoding of reward location in dorsal and intermediate hippocampus. Curr Biol. 2022. 32(4): 834–841.
  22. Josselyn S.A., Tonegawa S. Memory engrams: Recalling the past and imagining the future. Science. 2020. 367 (6473): eaaw4325.
  23. Kaifosh P., Lovett-Barron M., Turi G.F., Reardon T.R., Losonczy A. Septo-hippocampal GABAergic signaling across multiple modalities in awake mice. Nat Neurosci. 2013. 16 (9): 1182–1184.
  24. Khatib D., Ratzon A., Sellevoll M., Barak O., Morris G., Derdikman D. Active experience, not time, determines withinday representational drift in dorsal CA1. Neuron. 2023. 111 (15): 2348–2356.e5.
  25. Kitamura T., Ogawa S.K., Roy D.S., Okuyama T., Morrissey M.D., Smith L.M. et al. Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science. 2017. 356 (6333): 73–78.
  26. Kobayashi K.S., Matsuo N. Persistent representation of the environment in the hippocampus. Cell Rep. 2023. 42 (1): 111989.
  27. Krueger J.N., Wilmot J.H., Teratani-Ota Y., Puhger K.R., Nemes S.E., Crestani A.P. et al. Amnesia for context fear is caused by widespread disruption of hippocampal activity. Neurobiol Learn Mem. 2020. 175: 107295.
  28. Lee S.A. Navigational roots of spatial and temporal memory structure. Anim. Cogn. 2023. 26 (1): 87–95.
  29. Lee S.H., Marchionni I., Bezaire M., Varga C., Danielson N., Lovett-Barron M. et al. Parvalbumin-positive basket cells differentiate among hippocampal pyramidal cells. Neuron. 2014. 82 (5): 1129–1144.
  30. Lovett-Barron M., Kaifosh P., Kheirbek M.A., Danielson N., Zaremba J.D., Reardon T.R. et al. Dendritic inhibition in the hippocampus supports fear learning. Science. 2014. 343 (6173): 857–863.
  31. Lunardi P., de Souza L.W., Dos Santos B., Popik B., de Oliveira Alvares L. Effect of the endocannabinoid system in memory updating and forgetting. neuroscience. 2020. 444: 33–42.
  32. Matus-Amat P., Higgins E.A., Barrientos R.M., Rudy J.M. The role of the dorsal hippocampus in the acquisition and retrieval of context memory representations. J. Neurosci. 2004. 24 (10): 2431–2439.
  33. Matus-Amat P., Higgins E.A., Sprunger D., Wright-Hardesty K., Rudy J.W. The role of dorsal hippocampus and basolateral amygdala NMDA receptors in the acquisition and retrieval of context and contextual fear memories. Behav. Neurosci. 2007. 121 (4): 721–731.
  34. Maurer A.P., Nadel L. The Continuity of Context: A Role for the hippocampus. Trends Cogn Sci. 2021. 25 (3): 187–199.
  35. Mihály A., Szakács R., Bohata C., Dobó E., Krisztin-Péva B. Time-dependent distribution and neuronal localization of c-fos protein in the rat hippocampus following 4-aminopyridine seizures. Epilepsy Res. 2001. 44 (2–3): 97–108.
  36. Nambu M.F., Lin Y.J., Reuschenbach J., Tanaka K.Z. What does engram encode? Heterogeneous memory engrams for different aspects of experience. Curr. Opin. Neurobiol. 2022. 75: 102568.
  37. Nilchian P., Wilson MA, Sanders H. Animal-to-Animal Variability in Partial Hippocampal Remapping in Repeated Environments. J Neurosci. 2022. 42 (26): 5268–5280.
  38. Papp M., Gruca P., Lason M., Litwa E., Solecki W., Willner P. Optogenetic stimulation of medial prefrontal cortex excites GABAergic cells in the nucleus accumbens and hippocampus of Wistar-Kyoto rats exposed to chronic mild stress. Psychopharmacology (Berl). 2022. 239 (7): 2299–2307.
  39. Peng Z., Houser C.R. Temporal patterns of fos expression in the dentate gyrus after spontaneous seizures in a mouse model of temporal lobe epilepsy. J. Neurosci. 2005. 25 (31): 7210–7220.
  40. Pevzner A., Guzowski J.F. Immediate-early gene transcriptional activation in hippocampus CA1 and CA3 does not accurately reflect rapid, pattern completion-based retrieval of context memory. Learn. Mem. 2014. 22 (1): 1–5.
  41. Pignatelli M., Ryan T.J., Roy D.S., Lovett C., Smith L.M., Muralidhar S., Tonegawa S. Engram cell excitability state determines the efficacy of memory retrieval. Neuron. 2019. 101 (2): 274–284.e5.
  42. Pinizzotto C.C., Heroux N.A., Horgan C.J., Stanton M.E. Role of dorsal and ventral hippocampal muscarinic receptor activity in acquisition and retention of contextual fear conditioning. Behav. Neurosci. 2020. 134 (5): 460–470.
  43. Ramírez-Franco J.J., Munoz-Cuevas F.J., Luján R., Jurado S. Excitatory and inhibitory neurons in the hippocampus exhibit molecularly distinct large dense core vesicles. Front. Cell Neurosci. 2016. 10: 202.
  44. Raza S.A., Albrecht A., Çalışkan G., Müller B., Demiray Y.E., Ludewig S. et al. HIPP neurons in the dentate gyrus mediate the cholinergic modulation of background context memory salience. Nat. Commun. 2017. 8 (1): 189.
  45. Roy D.S., Kitamura T., Okuyama T., Ogawa S.K., Sun C., Obata Y. et al. Distinct Neural circuits for the formation and retrieval of episodic memories. Cell. 2017. 170 (5): 1000– 1012.e19.
  46. Rudick C.N., Woolley C.S. Estradiol induces a phasic Fos response in the hippocampal CA1 and CA3 regions of adult female rats. Hippocampus. 2000. 10 (3): 274–283.
  47. Rudy J.W., Barrientos R.M., O’Reilly R.C. Hippocampal formation supports conditioning to memory of a context. Behav. Neurosci. 2002. 116 (4): 530–538.
  48. Rudy J.W., O’Reilly R.C. Conjunctive representations, the hippocampus, and contextual fear conditioning. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 2001. 1 (1): 66–82.
  49. Silva B.A., Burns A.M., Gräff J. A cFos activation map of remote fear memory attenuation. Psychopharmacology (Berl). 2019. 236 (1): 369–381.
  50. Takahashi S. The hippocampal ensemble code for spatial navigation and episodic memory. Adv. Neurobiol. 2018. 21:49-70.
  51. Takamiya S., Shiotani K., Ohnuki T., Osako Y., Tanisumi Y., Yuki S. et al. Hippocampal CA1 neurons represent positive feedback during the learning process of an associative memory task. Front. Syst. Neurosci. 2021. 15: 718619.
  52. Tasic B., Menon V., Nguyen T.N., Kim T.K., Jarsky T., Yao Z. et al. Adult mouse cortical cell taxonomy revealed by single cell transcriptomics. Nat. Neurosci. 2016. 19 (2): 335–346.
  53. Temel Y., Blokland A., Lim L.W. Deactivation of the parvalbumin-positive interneurons in the hippocampus after fear-like behaviour following electrical stimulation of the dorsolateral periaqueductal gray of rats. Behav. Brain Res. 2012. 233 (2): 322–325.
  54. Tonegawa S., Morrissey M.D., Kitamura T. The role of engram cells in the systems consolidation of memory. Nat. Rev. Neurosci. 2018. 19 (8): 485–498.
  55. Topolnik L., Tamboli S. The role of inhibitory circuits in hippocampal memory processing. Nat. Rev. Neurosci. 2022. 23 (8): 476–492.
  56. Tzilivaki A., Tukker J.J., Maier N., Poirazi P., Sammons R.P., Schmitz D. Hippocampal GABAergic interneurons and memory. Neuron. 2023. 111 (20): 3154–3175.
  57. Wotjak C.T. Sound check, stage design and screen plot – how to increase the comparability of fear conditioning and fear extinction experiments. Psychopharmacology. 2019. 236 (1): 33–48.
  58. Zeisel A., Muñoz-Manchado A.B., Codeluppi S., Lönnerberg P., La Manno G., Juréus A. et al. Brain structure. Cell types in the mouse cortex and hippocampus revealed by singlecell RNA-seq. Science. 2015. 347 (6226): 1138–1142.
  59. Zeng H., Sanes J.R. Neuronal cell-type classification: challenges, opportunities and the path forward. Nat. Rev. Neurosci. 2017. 18 (9): 530–546.
  60. Zhang X., Kim J., Tonegawa S. Amygdala reward neurons form and store fear extinction memory. Neuron. 2020. 105 (6): 1077–1093.e7.
  61. Zhu M., Perkins M.G., Lennertz R., Abdulzahir A., Pearce R.A. Dose-dependent suppression of hippocampal contextual memory formation, place cells, and spatial engrams by the NMDAR antagonist (R)-CPP. Neuropharmacology. 2022. 218: 109215.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема эксперимента (а) и данные о поведении мышей трех групп при тестировании ассоциативной памяти об обстановке (б). Предэкспозиция – предварительное неподкрепляемое обследование новой обстановки, Немедленное ЭКР – нанесение немедленного ЭКР в ранее обследованной обстановке, Тест – тестирование памяти об обстановке. ** – p = 0.008 по сравнению с группой “Обстановка”, ++ – p = 0.007 по сравнению с группой “ЭКР”, апостериорный критерий Тамхейна Т2.

Скачать (160KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Активность различных областей гиппокампа мышей при извлечении памяти об обстановке. (а) зубчатая фасция (DG), (б) область СА1, (в) область СА3. * – p = 0.01, *** – p < 0.0001 по сравнению с группой “Обстановка”, + – p = 0.03, ++ – p = 0.002 по сравнению с группой “ЭКР”, апостериорный критерий Тамхейна Т2.

Скачать (133KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Доля пирамидных Emx1+-нейронов, GAD+-интернейронов и нейронов неизвестного фенотипа от всех активированных по с-Fos нейронов в различных областях гиппокампа мышей при извлечении памяти об обстановке. (а) зубчатая фасция (DG), (б) область СА1, (в) область СА3. Описание статистических различий дано в тексте.

Скачать (174KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Количество активированных по с-Fos пирамидных Emx1+-нейронов и GAD+-интернейронов в различных областях гиппокампа у мышей разных групп при извлечении памяти об обстановке. (а) зубчатая фасция (DG), (б) область СА1, (в) область СА3. * – p < 0.05 по сравнению с группой “Обстановка”, + – p = 0.02, ++ – p < 0.01, +++ – p = 0.0001 по сравнению с группой “ЭКР”, апостериорный критерий Тьюки.

Скачать (197KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024