海馬表現とステッピング間の動的同期

Nature volume 617、pages 125–131 (2023)この記事を引用

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77 オルトメトリック

メトリクスの詳細

海馬は、空間表現 1 を表現する哺乳類の脳構造であり、ナビゲーションに重要です 2,3。 ナビゲーションは移動に複雑に依存します。 しかし、現在の説明は、海馬の空間表現と運動過程の詳細との間に解離があることを示唆している。 具体的には、海馬は主に位置、速度、動きの方向などの高次の認知変数と運動変数を表すと考えられています 4,5,6,7 が、動物を推進させる四肢の動きは主に皮質下回路で計算および表現できます。脊髄、脳幹、小脳を含む8、9、10、11。 海馬の表現が実際に運動過程の詳細な構造から切り離されているかどうかは不明のままである。 この疑問に対処するために、ここでは、海馬の空間表現と、移動運動の基礎となる進行中の四肢の動きを、高速なタイムスケールで同時に監視しました。 我々は、自由に行動するラットの前肢のステッピングサイクルがリズミカルで、運動中に約 8 Hz でピークに達し、移動中の海馬の活動と空間表現の約 8 Hz の変調と一致することを発見しました12。 また、前肢が地面に触れる時間（足踏みサイクルの「植物」時間）と海馬による空間表現との間の正確なタイミングの調整も発見した。 特に、植物の時間は、ラットの鼻の実際の位置に最も近い海馬の表現と一致しますが、これらの植物の時間の間に、海馬の表現は、将来の可能性のある位置に向かって進みます。 この同期は、ラットが空間決定に近づいたときに特に検出可能でした。 まとめると、我々の結果は、中枢の認知表現と末梢運動プロセスの間の数十ミリ秒のタイムスケールでの深遠かつ動的な調整を明らかにします。 この調整は、認知的要求に関連して急速に関与したり離脱したりするため、認知回路と感覚運動回路の間の迅速な情報交換をサポートするのに適しています。

動物が環境を横断するにつれて、海馬における神経集団の表現は、動物の実際の位置の後方、同位置、および前方の位置を含む一連の空間位置を介して進行することがよくあります13、14、15、16、17、18。 これらのシーケンスはシータリズムと同時に約 8 Hz で繰り返され 12,19 、記憶に誘導された行動を伝える利用可能なナビゲーション空間の「マップ」20,21 を反映すると広く考えられています 4,6。 この考えと一致して、海馬の活動またはシータの混乱は、1 つまたは複数の記憶された場所への移動を伴う空間記憶タスクのパフォーマンスを低下させます 22,23,24。 したがって、海馬の表現は、運動動作を伴う決定に情報を与えることができます 19,25。 逆に、運動動作によって動物が移動し、動物の移動に応じて海馬の空間表現が新しい位置に移動します。

現在の説明では、海馬の計算は認知地図やナビゲーションのオプションを表すと仮定されていますが、これらの表現のタイミングと運動プロセスの詳細な構造（個々の足音のタイミングなど）との間に関連性があるとは仮定されていません。 具体的には、海馬は位置、速度、方向などの高次の運動関連変数を表すことが知られています 7,26,27 のに対し、脊髄、脳幹、小脳の回路は個々の手足の動きを表し、駆動する 8、9、10、11。 しかし、海馬の表現と手足の動きとの結合については調査されておらず、情報の流れを促進するために脳システム全体で活動を同期させることには利点がある可能性がある28。

したがって、我々は、背側海馬CA1領域の神経活動と、透明な行動軌跡上を走るラットのステッピングリズムを同時にモニタリングした。 得られたデータには、シータリズムの周波数と、空間選択的な「場所」細胞を含む海馬ニューロンのスパイク活動の測定値、およびラットの四肢の動きを抽出した高解像度のアンダートラックビデオが含まれていました（図1a、拡張データ）図 1 および補足ビデオ 1 および 2)。 私たちは、W 字型のトラックで海馬に依存した空間記憶タスクを学習および実行するラット (n = 5) からのデータに焦点を当てます 29,30 (図 1b)。 このタスクでの走行軌跡は、アウトバウンド (ラットが中央のウェルから外側のウェルに向かって走る) またはインバウンド (ラットが外側のウェルから中央のウェルに向かって走る) に分類でき、正しい報酬シーケンスは中央 - 左 - 中央 - に対応します。右-中央-左-中央-右など。