Префронтальные проекции на ядро ​​воссоединения сигнализируют о поведенческой значимости стимулов во время ассоциативного обучения.

May 28, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 11995 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1946 г.

12 Альтметрика

Подробности о метриках

Ядро воссоединения (RE) необходимо для воспоминаний, зависящих от взаимодействия между медиальной префронтальной корой (mPFC) и гиппокампом (HPC). Одним из примеров является кондиционирование моргания глаз, при котором mPFC проявляет дифференциальную активность по отношению к нейтральным условным раздражителям (CS) в зависимости от их непредвиденных обстоятельств с аверсивным безусловным раздражителем (US). Чтобы проверить, направляется ли этот релевантный сигнал на RE, мы фотометрически зарегистрировали терминали аксонов mPFC внутри RE и отслеживали их изменения в процессе обучения. Для сравнения мы измерили префронтальную терминальную активность в медиодорсальном таламусе (MD), у которого отсутствует связь с HPC. У наивных самцов крыс префронтальные терминали RE не активировались сильно тоном или светом. Когда крысы ассоциировали один из стимулов (CS+) с США, терминали постепенно увеличивали свою реакцию на CS+, но не на другой стимул (CS-). Напротив, вызванные стимулами реакции префронтальных терминалей в пределах MD были сильными даже до кондиционирования. Они также были добавлены только к CS + в первой тренировке; однако степень дифференциации деятельности по мере обучения не улучшалась. Эти данные свидетельствуют о том, что ассоциативное обучение избирательно увеличивает выход mPFC на RE, сигнализируя о поведенческой значимости сенсорных стимулов.

Способность формировать ассоциации между сигналами окружающей среды и важными результатами является важнейшим когнитивным процессом, на который организмы полагаются, чтобы адаптироваться и выжить. Этот ассоциативный процесс обучения часто изучается с использованием классических парадигм обусловленности. В частности, отслеживание обусловливания моргания глаз (TEBC) проверяет способность субъекта ассоциировать нейтральный сенсорный стимул (известный как условный стимул [CS]) с легким аверсивным шоком век (известным как безусловный стимул [США]), который предъявляется после короткий временной интервал (известный как интервал трассировки). Включение этой временной задержки, следовательно, требует целостности областей переднего мозга, включая гиппокамп (ГПК)1,2,3 и медиальную префронтальную кору (мПФК)4,5,6,7 в дополнение к двигательным схемам в мозжечке и стволе мозга8. ,9. Более того, формирование этих ассоциаций стимулов CS-US сопровождается развитием селективных паттернов активации для ассоциаций в дорсальных HPC10,11 и mPFC12,13,14,15. Кроме того, по мере обучения mPFC развивала более сильную колебательную активность тета- и гамма-диапазона, вызываемую стимулами16,17,18. Более того, активность тета-диапазона mPFC становится временно связанной с активностью тета-диапазона HPC19. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что тесное взаимодействие между mPFC и HPC важно для формирования ассоциаций стимулов при TEBC.

Существует несколько анатомических путей, которые могут поддерживать взаимодействие mPFC-HPC. Хотя моносинаптические проекции происходят от вентральной HPC к mPFC, у mPFC отсутствуют моносинаптические возбуждающие проекции обратно к HPC20,21. Вместо этого mPFC может влиять на нейронную активность HPC через несколько мультисинаптических путей с участием промежуточных структур. Воссоединяющее ядро ​​средней линии таламуса (RE) считается одной из таких промежуточных областей22,23,24, поскольку оно обладает реципрокными анатомическими связями с mPFC и HPC25,26,27. Предыдущие исследования показали, что RE играет важную роль в поддержке синхронности mPFC-HPC28,29,30 и производительности в задачах, требующих взаимодействия mPFC-HPC, таких как пассивное избегание31, пространственная навигация32,33, задачи пространственной рабочей памяти28,34, контекстуальное обусловливание страха35, 36,37,38 и задачи на память последовательности39. В частности, формирование стимульных ассоциаций при TEBC нарушалось высокочастотной электрической стимуляцией RE в течение первых двух дней кондиционирования у мышей40.

Хотя вышеупомянутые данные подтверждают необходимость RE для облегчения взаимодействия mPFC-HPC, лежащего в основе различных форм когнитивных процессов, остается неизвестным, какой тип информации передается по пути mPFC-RE-HPC, и, более конкретно, степень какой выходной сигнал mPFC связан с реляционными и физическими характеристиками стимула. Чтобы решить эту проблему, мы провели фотометрические записи динамики кальция в аксонах нейронов mPFC, заканчивающихся внутри RE, в то время как крысы подвергались TEBC. Использование TEBC позволяет точно контролировать время и непредвиденные обстоятельства стимулов, что позволяет нам дифференцировать модели активности, избирательные по сенсорным и реляционным характеристикам стимулов, а также их корреляцию с выполнением задачи. Для сравнения мы исследовали связанные с обучением изменения в активности аксонов mPFC, заканчивающихся в медиальном дорсальном таламусе (MD). MD является идеальным контролем, основанным на его проекционной специфичности, поскольку он получает сильные моносинаптические проекции от mPFC41,42,43, но не проецируется на HPC44,45. Мы обнаружили, что префронтальные сигналы RE и MD были избирательными в отношении ассоциаций стимулов; однако только первый увеличил свою избирательность за счет обучения.