توحيد تمثيلات الذاكرة الخلوية في القشرة المخية الحديثة السطحية

ملخص

يتضمن دمج الذاكرة على مستوى الأنظمة، وهو مفهوم رئيسي في أبحاث الذاكرة، تحويل الذكريات التي تعتمد على الحصين في تكوينها إلى أشكال فعالة مستقلة عن الحصين، ومن المفترض أن يتم تشفيرها بواسطة اتصالات قشرية قشرية. ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل عن طبيعة الشفرات العصبية المدمجة على مستوى المجموعة الخلوية.

تشير الذكريات على مستوى الأنظمة إلى التفضيلات أو الأنماط السلوكية التي يطورها الشخص في وقت مبكر من حياته وتتعمق بمرور الوقت. تؤثر الذاكرة على مستوى النظام على تفكير الشخص وأفعاله وقراراته. إنه سلوك اللاوعي.

في المقابل، تشير الذاكرة إلى قدرة الشخص على تذكر المعلومات والاحتفاظ بها. تساعدنا الذاكرة الجيدة على تعلم المهارات وحل المشكلات وتحقيق النجاح. ومع ذلك، للحصول على ذاكرة ممتازة، نحتاج إلى دعم الذاكرة على مستوى النظام.

تعمل الذاكرة على مستوى النظام على تحسين ذاكرتنا لأنها توفر لنا إطارًا لاكتساب المعرفة الجديدة. عندما نتعلم أشياء جديدة، فإننا عادة نربطها بما تعلمناه من قبل. يشكل هذا الاتصال بنية معرفية متينة تساعدنا على فهم المعلومات الجديدة وتذكرها بشكل أفضل.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر الذاكرة على مستوى الأنظمة على طريقة تفكيرنا. إذا قمنا بتطوير موقف إيجابي لحل المشكلات، فسوف نفكر بشكل أكثر وضوحًا وسرعة، مما يسهل الاحتفاظ بالمعلومات وحل المشكلات. في المقابل، إذا طورنا موقفًا سلبيًا وسلبيًا، فسيصبح تفكيرنا بطيئًا وغامضًا، مما يعيق ذاكرتنا وقدراتنا على التعلم.

لذلك، يجب أن نسعى جاهدين لتنمية ذاكرة جيدة على مستوى النظام، مما سيساعد على تحسين ذاكرتنا ومعدل نجاحنا. يمكننا تطوير عادات جيدة من خلال التحرك في اتجاه إيجابي وجعلها متأصلة في حياتنا اليومية، وبالتالي تشكيل موقف إيجابي واستباقي لحل المشكلات. وبهذه الطريقة، يمكننا استخدام الذاكرة على مستوى النظام بشكل أفضل لتحسين ذاكرتنا وقدراتنا على التعلم. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين الذاكرة، ويمكن لـ Cistanche deserticola أن يحسن الذاكرة بشكل كبير لأن Cistanche deserticola هي مادة طبية صينية تقليدية لها العديد من التأثيرات الفريدة، أحدها هو تحسين الذاكرة. تأتي فعالية اللحم المفروم من المكونات النشطة المختلفة التي يحتوي عليها، بما في ذلك الأحماض والسكريات والفلافونويد وغيرها. ويمكن لهذه المكونات تعزيز صحة الدماغ بطرق مختلفة.

انقر فوق تعرف على 10 طرق لتحسين الذاكرة

تحتاج الفئران إلى حصين سليم للتعلم المكاني «الافتراضي» ولتطوير تمثيلات قشرية جديدة للتجارب المقابلة. لقد وجدنا أنه في حين أن البيئة الافتراضية الجديدة لا يتم تعلمها أو تمثيلها في القشرة السطحية بعد الأضرار الشديدة التي لحقت بالحصين، إلا أنه يتم الحفاظ على الذكريات المكتسبة قبل العملية الجراحية وتمثيلات المجموعة العصبية المتناثرة والواسعة الانتشار في الطبقات القشرية II-III، وهو شرط لا غنى عنه من توحيد الذاكرة. توفر هذه النتائج نافذة جديدة للدراسة المستقبلية للآليات الخلوية لتعزيز الذاكرة.

مقدمة

يؤدي تلف تكوين الحصين إلى إعاقة اكتساب ذاكرة "عرضية" جديدة. قد تكون هذه الظاهرة مرتبطة بموقع الحصين في أعلى التسلسل الهرمي لمناطق الارتباط بالقشرة المخية الحديثة، وبحقيقة أن عدد يتجاوز عدد الخلايا العصبية القشرية بكثير عدد الاتصالات التي يمكن أن تدعمها خلية عصبية معينة (Schwindel & McNaughton، 2011، للمراجعة). 3يعني تناثر الاتصال هذا أن تكوين ارتباطات عشوائية في الوقت الفعلي (خاصة طويلة المدى) سيكون صعبًا بسبب من المرجح أن المشابك العصبية الضرورية بين أي خليتين قشريتين حديثتين نشطتين لم تكن موجودة من قبل.

وقد تتغلب القشرة المخية الحديثة على هذه المشكلة من خلال التشكيل السريع لارتباطات غير مباشرة بين عصبوناتها النشطة حاليا، بوساطة نمط مشترك من أعلى إلى أسفل من الحصين. ووفقًا لهذا الرأي، فإن كل تجربة فريدة تولد نمطًا متفرقًا فريدًا مناظرًا في الحصين، والذي يعمل كسياق أو «فهرس» لمجموعة الخلايا العصبية القشرية النشطة حاليًا. هذه الأنماط فريدة من نوعها بالنسبة لموقع وطبيعة كل تجربة (على سبيل المثال Leutgeb et al.7). اللدونة الترابطية في إسقاطات التغذية الراجعة من الحصين (''الفهرس'') إلى الخلايا القشرية النشطة المقابلة (''السمات'') ') من شأنه تمكين الاسترداد اللاحق لسمات الذاكرة.

وهكذا، في البداية على الأقل، تصبح الذاكرة مشفرة كوصلات بين الحصين والقشرة، وليس بين الخلايا القشرية مباشرة. بعض الذكريات والسلوكيات المكتسبة لا تفقد أبدًا اعتمادها على الحصين السليم؛ ومع ذلك، فإن بعضها يصبح مقاومًا بمرور الوقت لأضرار الحصين، 8 مما يشير إلى أن الوصلات القشرية القشرية المناسبة، الكافية لتحل محل الوصلات القشرية الحصينية، تتطور بمرور الوقت وتصبح سائدة.

وقد تصاحب هذه العملية أيضًا استخراج البنية من الذاكرة إلى المعرفة "الدلالية" للقشرة،9-15، والتي تنجو بشكل عام من فقدان الحصين. في حين أن هناك الكثير من الدراسات حول ديناميكيات السلوك والتعبير الجيني لعملية توحيد الذاكرة هذه، إلا أنه لم يكن هناك سوى القليل من الأبحاث على مستوى التشفير الخلوي في طبيعة وموقع تمثيلات الذاكرة المستقلة عن الحصين في القشرة.

أظهرت الدراسات الحديثة أنه أثناء عبور سلسلة من المواقع (سواء كانت حقيقية أو افتراضية)، تطور الخلايا العصبية القشرية، وخاصة في القشرة السطحية، تسلسلات متفرقة ومرتبطة بالموقع من النشاط العصبي، 16-19 تمامًا كما هو الحال في الحصين.

في الفئران السليمة، تظهر الخلايا المرتبطة بالموضع في القشرة الدماغية خلال جلسات قليلة في "بيئة" افتراضية جديدة، تتكون من حزام جهاز المشي مع إشارات "مكانية" مرفقة،20 ولكنها تتطور بشكل سيئ في الفئران المصابة بآفات الحصين الظهرية. 16،17 هنا، نظهر أنه يتم الاحتفاظ بالتمثيلات القشرية السطحية للبيئة الافتراضية التي تم تعلمها قبل الجراحة بعد آفات الحصين، كما هو الحال مع الذاكرة المكانية المقابلة، في حين أن نفس الفئران لا تتعلم بيئة جديدة بعد العملية الجراحية ولا تمثلها كخلايا مرتبطة بالموضع. في القشرة السطحية.

نتائج

تم استخدام التصوير ثنائي الفوتون Ca2+ لتسجيل النشاط العصبي في الفئران أثناء الجري برأس ثابت على أحزمة جهاز المشي التي تحتوي على العديد من الإشارات اللمسية المرئية (الشكل 1؛ طرق STAR)، قبل وبعد الآفات الثنائية للحصين الظهري. تم اختبار الحيوانات على نفس الحزام "المألوف" قبل وبعد عمليات الحصين (أو العمليات الجراحية الوهمية). تم استخدام أحزمة جديدة ذات مجموعات إشارات مختلفة في فترات ما قبل وبعد العملية الجراحية (الآفة/الشام) بعد (إعادة) التعرف على الحزام "المألوف". قمنا بتتبع نشاط الخلايا العصبية في ثلاث مناطق في القشرة المخية الحديثة: القشرة خلف الطحال (RSC)، والقشرة الحركية الثانوية، والقشرة الحسية الجسدية الأولية.

تسبب آفة الحصين فقدان الذاكرة التقدمي ولكن ليس التراجعي لمواقع المكافأة والبيئات المكانية الافتراضية

كان لكل حزام موقع افتراضي معين حيث تم تسليم مكافأة المياه (الشكل 1C). قبل العملية الجراحية، عبرت كلا المجموعتين عن سلوك مماثل في كل من البيئات المألوفة والجديدة (الشكل S2). كانت سرعات الجري بعد العملية الجراحية في الأحزمة المألوفة والجديدة متشابهة أيضًا بين المجموعتين الوهمية والآفة. بعد العملية الجراحية، قامت المجموعات الوهمية والآفة بعدد مماثل من المحاولات لعق ميناء المكافأة طوال التجربة (الشكل 2- غادر)؛ ومع ذلك، كانت توزيعات اللعقات في بيئة الرواية مختلفة بشكل كبير بين المجموعات.

بالنسبة للمجموعة الوهمية، تم تركيز نسبة هائلة من اللعقات في موقع المكافأة في كل من البيئات المألوفة والجديدة. وقد أظهرت المجموعة المصابة نفس السلوك في البيئة المألوفة؛ ومع ذلك، في بيئة جديدة، الفئران المصابة في الغالب خارج منطقة المكافأة. (الشكل 2-في المنتصف، على اليمين). وهكذا، تم الاحتفاظ بالذاكرة قبل العملية الجراحية، ولكن التعلم في بيئة الرواية كان ضعيفًا بشكل خطير. هذه هي السمة المميزة لمفهوم توحيد الذاكرة.

تحافظ الخلايا العصبية القشرية على تشفير البيئة المكانية المألوفة بعد حدوث الحصين، ولكن فشل تشفير بيئة جديدة في التشكل

استخدمنا معايير ليبرالية نسبيًا (انظر أساليب STAR) لتصنيف الخلايا على أنها "انتقائية مكانيًا" ولتعريف "حقول مكان" الخلايا. بشكل عام، لم تكن هناك اختلافات بين المجموعة (الآفة مقابل الشام) أو بين البيئة (F، N) في أي من المناطق القشرية الثلاث في نسبة الخلايا التي اجتازت عتبة الانتقائية، والتي كانت بشكل عام حوالي 40٪ مع هذه المعايير الليبرالية. (الشكل S3A). ومع ذلك، بالنسبة للبيئة الجديدة، كانت الخلايا التي تستوفي معايير الانتقائية بشكل عام أقل انتقائية مكانيًا وتشكل بشكل جماعي ترميزًا سكانيًا أقل اتساقًا للحزام في مجموعة الآفة (الشكلان 3A و3B). وارتبط هذا الاختلاف بزيادة في نسب خلايا مجموعة الآفة ذات حقول أماكن متعددة، بدلاً من حقل واحد (الشكل S3B).

تم قياس كمية ظهور ترميز الموضع القشري من الطبقة II إلى III باستخدام مقاييس محتوى المعلومات المكانية على أساس كل خلية عصبية لجميع الخلايا التي تتجاوز عتبة الانتقائية المكانية. كان من المتوقع حدوث بعض النسيان في استراحة اليوم 30- بين آخر جلسة ما قبل الإصابة/الجلسة الوهمية والجلسات الأولى بعد العملية الجراحية. وفي الواقع، كان هناك تدهور (نسيان) يعتمد على الوقت في محتوى المعلومات المكانية في البيئة المألوفة ; ومع ذلك، تعافت الذاكرة المألوفة على مدى جلسات في كل من الفئران الآفة والصورة، مع عدم وجود فرق بين المجموعة (الشكل 3C-أعلى). أظهرت الفئران الوهمية اكتسابًا طبيعيًا للتمثيل القشري للبيئة الجديدة (الحزام 3)؛ ومع ذلك، أظهرت مجموعة الآفة القليل جدًا من المعلومات المكانية في بيئة الرواية في RSC (الشكل 3C-أسفل). في جميع المناطق القشرية، كان محتوى المعلومات المكانية للخلايا العصبية مشابهًا بين الشام والآفة بالنسبة للبيئة المألوفة، في حين تم تخفيض هذه الكمية بشكل كبير في مجموعة الآفة للبيئة الجديدة (الأشكال 3D و3E).

قمنا بقياس مدى موثوقية الترميز المكاني على مستوى السكان من خلال حساب الخطأ في فك تشفير كل لفة على حدة، باستخدام وحدة فك ترميز بايزي (طرق STAR). خلال مرحلة ما بعد الجراحة، يشير توزيع الموضع الذي تم فك تشفيره كدالة لموقع الحيوان إلى أن وحدة فك التشفير من مجموعة thelesion في بيئة الرواية تعطي تقديرًا أقل دقة للموقف (الشكل 4A). كانت هناك زيادة كبيرة (2 ×) في خطأ فك التشفير في البيئة الجديدة في جميع المناطق القشرية الثلاث، في مجموعة الآفة، ولكن ليس في المجموعة الوهمية، ولا شيء في البيئة المألوفة في أي مجموعة (الشكل 4ب).

مناقشة

بشكل عام، في حين أن آفات الحصين أضعفت بشدة ظهور الخلايا المرتبطة بالموضع التي تمثل بيئة افتراضية جديدة، وأضعفت بالمثل التعلم المكاني في هذا السياق الجديد، فقد تم الحفاظ على تمثيل بيئة مألوفة مكشوفة قبل الجراحة وذاكرة موقع المكافأة في تلك البيئة . كان نشاط إطلاق النار الانتقائي المكاني للفئران المصابة في البيئة الجديدة متحيزًا نحو إطلاق النار بالقرب من الإشارات البارزة. كانت الاستجابات غير الانتقائية أو الانتقائية الضعيفة عند الإشارات البارزة شائعة في الفئران المصابة في البيئات الجديدة، مما أدى إلى ظهور حقول مكانية متعددة، والتي ربما ساهمت في ارتفاع خطأ فك التشفير المكاني.

الآفات نفسها دمرت 50٪ أو أكثر من الحصين الظهري، لكنها تركت الحصين البطني سليمًا إلى حد كبير (الشكل 1E). لذلك، لا يمكننا أن نستنتج أن الذاكرة المحفوظة كانت مستقلة تمامًا عن التدفق الخارجي للحصين 22 على الرغم من أن العديد من الدراسات تشير إلى أن الحصين الظهري هو الذي يعد ضروريًا في الغالب للتعلم المكاني 23،24 والذي يتركز إنتاجه على القشرة خلف الطحال. 25-28 أظهرت كلا المجموعتين انخفاضًا. في الضبط المكاني للبيئة المألوفة خلال فترة 30-اليوم بين آخر تجربة ما قبل الآفة/المحاكمة الوهمية وأول تجربة ما بعد الآفة/الوهمية. ما إذا كان هذا بسبب مرور الوقت أو الإجراء الجراحي (على سبيل المثال، التخدير) غير معروف؛ ومع ذلك، تشير هذه الديناميكيات إلى أنه تم الحفاظ على بعض آثار التشفير السابق، في حين تم إضعاف التشفير الجديد. أحد التفسيرات المحتملة للانخفاض في الضبط المكاني على مدى 30 يومًا هو أن الحصين السليم يمكن من تكوين اتصالات متشابكة جديدة في القشرة الدماغية والتي قد تفقد فعاليتها بمرور الوقت ولكنها تستمر جسديًا بحيث يمكن إعادة تعزيزها عند إعادة التعرض للمؤثرات الخارجية. بيئة مألوفة.

تفسير آخر هو أن التشفير محفوظ في طبقات أعمق من القشرة، والتي لم يكن من الممكن الوصول إليها بالتصوير في هذه الدراسات. ومن المعروف أن إعادة التعرض لبيئة مألوفة ليس أمرًا ضروريًا لحدوث عمليات تعزيز الذاكرة؛ ويمكن أن تحدث أيضًا أثناء فترات "غير متصلة بالإنترنت" مثل نوم الموجات البطيئة.4 ومع ذلك، فإن استرجاع العمليات المجمعة قد يتطلب إعادة التعرض في غياب الحُصين.

بشكل عام، تظهر النتائج الحالية أن الحصين السليم يمكّن القشرة السطحية من تطوير تمثيلات متناثرة وانتقائية لتجربة التواجد في مواقع معينة ضمن سياق سلوكي وحسي معين، وأن هذه الرموز العصبية الناشئة تستمر بعد تلف الحصين بدرجة كافية لمنع التعلم الجديد في المنطقة. المستويات العصبية والسلوكية في ظل ظروف مماثلة. توفر هذه النتائج إطارًا جديدًا لدراسة الأسس الخلوية والجزيئية للذاكرة طويلة المدى المستقلة عن الحصين.

القيود المفروضة على دراسة

ونظراً لحجم العينة المحدود، لا يمكن تقييم سوى منطقة قشرية واحدة من بين ثلاث مناطق ذات أهمية بقوة إحصائية معقولة خلال مراحل التعرض/إعادة التعرض للتجارب، على مدار أيام التسجيل المتعاقبة. لقد اخترنا القشرة خلف الطحال مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أنها تتلقى إسقاطات مباشرة من الحصين الظهري. 25-28 لاحظنا أنه بعد آفة الحصين، يتم إعادة اكتساب التمثيل العصبي لبيئة مألوفة في القشرة خلف الطحال تدريجيًا مع إعادة التعرض المتكرر. ومع ذلك، هذا لا يستبعد حقيقة أن المناطق القشرية الأخرى قد تتعافى بمعدل أسرع. علاوة على ذلك، قد تساهم التبادلات بين المناطق الموزعة في هذا التعافي، والذي لا يمكن تحديده ما لم يتم تقييم منطقتين أو أكثر في وقت واحد. لذلك، لا يزال يتعين تحديد كيفية الحفاظ على آثار الذاكرة المكانية وإعادة تعزيزها عبر مناطق قشرية مختلفة، بعد فقدان الحصين.

شكر وتقدير

نشكر الدكتور م. مهاجراني على الإشراف/الإدارة على مرافق المجهر وتربية الحيوانات، وجنيفر تارنوفسكي على الدعم اللوجستي، وفاليري لابوانت وكريم علي على الدعم الفني، وWestGrid وCompute Canada لدعم تكنولوجيا المعلومات. يعترف BLM بالتمويل من برنامج NIH Research ProjectGrant (R01) [رقم. NS121764]، وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) [رقم. HR0011-18-2-0021]، مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC) [رقم. 1631465]، والمعاهد الكندية لأبحاث الصحة (CIHR) [رقم. بي جي تي 156040]. يتم دعم HC من خلال منح الدراسات العليا في كندا لبرنامج الدكتوراه (NSERC CGS-D).

الكاتب الاشتراكات

وضع IME وBLM تصورًا للتجربة. أجرى IME وARN التجارب وجمعوا البيانات. قام IME وHC وBLM بتحليل البيانات وتفسيرها. قام كل من IME وHC وBLM بكتابة المخطوطة، والتي ساعد جميع المؤلفين في مراجعتها.

إعلان المصالح

الكتاب تعلن أنه ليس لديهم المصالح المتنافسة.

مراجع

1. سكوفيل، دبليو بي، وميلنر، بي (1957). فقدان الذاكرة الحديثة بعد آفات الحصين الثنائية. جي نيورول. جراحة الأعصاب. الطب النفسي 20، 11-21.https://doi.org/10.1136/jnnp.20.1.11.

2. يونيليناس، AP، كرول، NEA، Quamme، JR، Lazzara، MM، Sauve´، MJ، Widaman، KF، and Knight، RT (2002). آثار تلف الفص الصدغي الواسع النطاق أو نقص الأكسجة الخفيف على التذكر والألفة. نات.نيوروسكي. 5، 1236-1241.https://doi.org/10.1038/nn961.

3. شويندل، سي دي، وماكنوتون، بي إل (2011). التفاعلات القشرية الحصين وديناميكيات تنشيط تتبع الذاكرة. بروغ. دقة الدماغ. 193، 163-177.https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53839-0.00011-9.

4. ماكنوتون، بي إل (2010). التسلسلات الهرمية القشرية والنوم واستخلاص المعرفة من الذاكرة. عارف. إنتل. 174,205-214.https://doi.org/10.1016/j.artint.2009.11.013.

5. تايلر، تي جيه، وديسينا، ب. (1986). نظرية فهرسة الذاكرة الحصينية. علم الأعصاب. 100، 147-154. https://doi.org/10.1037/0735-7044.100.2.147.6. تايلر، تي جيه، ورودي، جيه دبليو (2007). نظرية فهرسة الحصين والذاكرة العرضية: تحديث الفهرس. الحصين17، 1158-1169.https://doi.org/10.1002/hipo.20350.

7. لوتجيب، س.، لوتجيب، جيه كيه، بارنز، كاليفورنيا، موسر، إي آي، ماكنوتون، بي إل، وموسر، إم.-بي. (2005). رموز مستقلة للذاكرة المكانية والعرضية في مجموعات الحصين العصبية. العلوم 309، 619-623.https://doi.org/10.1126/science.1114037.

8. Sutherland, RJ, and Lehmann, H. (2011). مفاهيم بديلة لتعزيز الذاكرة ودور الحصين على مستوى الأنظمة في القوارض. رأي. نيوروبيول. 21، 446-451.https://doi.org/10.1016/j.conb.2011.04.007.

9. فرانكلاند، بي دبليو، وبونتمبي، بي. (2005). تنظيم الذكريات الحديثة والبعيدة. القس نيوروسكي. 6، 119-130. https://doi.org/10.1038/nrn1607.10. مار، د. (1970). نظرية القشرة الدماغية. بروك. ر. سوك. لوند. ب بيول. الخيال العلمي. 176،161-234.

For more information:1950477648nn@gmail.com