Eredmények
Az LFS rövid távú depressziót idéz elő a szabadon mozgó patkányok CA1 régiójában. Az LFS által kiváltott LTD mértéke közismerten függ a patkánytörzstől (20). Az ebben a vizsgálatban használt patkánytörzs, a Harlan Winkelmann Wistar, következetesen a szinaptikus transzmisszió depresszióját mutatta az 1 Hz-es LFS után, amely ≈45 percig tartott (1. ábra; n = 16, P < 0,001).
Az LFS nem indukál LTD-t. (a) Az LFS alkalmazása (nyíl) rövid távú depressziót indukált a tesztimpulzusokkal stimulált kontrollokhoz képest. A vonaltörések az időskála változásait jelzik. (b) A t = 5 percnél, t = 5 percnél és t = 24 órával az LFS után felvett átlagolt fEPSP-k analóg nyomvonalai. (Felső) Alapszintű kontrollok. (Alsó) Egy LFS-kísérlet. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
A tárgyakat tartalmazó lyukasztótábla felfedezése az LFS során robusztus LTD-t indukál. Legalább 8 nappal a kontroll LFS-kísérletek után megvizsgáltuk az újdonság-expozíció hatását az LFS által kiváltott válaszokra. Korábbi kísérletek azt mutatták, hogy a Hooded Lister patkányok LTD-t fejeznek ki, ha az LFS-t újdonság-expozícióval egyidejűleg adják (17, 20). Ezt a protokollt megismételtük Harlan Winkelmann Wistar patkányokkal. Az állatoknak megengedtük, hogy az LFS alatt négy különböző tárgyat tartalmazó lyukasztótáblát fedezzenek fel (2. ábra, n = 10). A lyukasztótábla behelyezése fokozott felfedező viselkedést okozott, és csak egy esetben figyeltük meg a stressz jeleit, azaz a fagyasztó viselkedést. Ezt a patkányt kizártuk az adatelemzésből. A tárgyat tartalmazó lyukasztótábla felfedezése a rövid távú depressziót LTD-vé alakította át, amely legalább 25 órán át tartott. Az egyéni időponti különbségeket az önmagában adott LFS és a lyukasztótábla-expozícióval egyidejűleg adott LFS t-teszt elemzésével értékeltük. Ez szignifikánsan fokozott depressziót mutatott a lyukasztótábla csoportban t = 15 perctől (P < 0,05).
A tárgyakkal ellátott újszerű lyukasztótáblának való kitettség elősegíti az LTD-t. (a) A lyukasztótábla-expozícióval (fekete doboz jelzi) egyidejűleg adott LFS megkönnyítette az LTD-t az első alkalommal történő expozíciókor (□), vagy ha a tárgyakat újrapozícionálták (▴). Az első expozícióval megegyező tárgykonfigurációt tartalmazó lyukasztótábla újbóli expozíciója esetén nem történt facilitáció (▪). (b) Analóg nyomvonalak, amelyek az újdonság felfedezését (fent), az újbóli expozíciót (középen) és az új tárgykonfigurációt (lent) képviselik. Ezek (jobbról balra) az LFS előtti, az LFS utáni és a 24 órával az LFS utáni szinteket szemléltetik. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
Hogy megvizsgáljuk, hogy az újdonságok felfedezésének LTD-re gyakorolt könnyítő hatása valóban az újdonságok megszerzésének köszönhető-e, és nem egy nem emlékezetes hatásnak, például a fokozott mozgásszervi aktivitásnak (amely kiválthatja a potenciálok nagyságának agyhőmérséklethez kapcsolódó változásait) (21), később újra kitettük az állatokat ugyanannak a lyukasztótáblának, ugyanazzal a tárgykonstellációval, miután az LTD visszatért az LFS előtti szintre (2. ábra, újraexpozíció; n = 5). A most már ismerős lyukasztallal való expozíció az LFS alkalmazása során már nem váltott ki LTD-t. Átmeneti depresszió következett be azonban, amely gyorsabban csökkent, mint az LFS alkalmazása után a kontrollkísérletekben (t = 45 perc; P < 0,05, t-teszt; n = 5). A t = 60 perctől kezdve szignifikáns különbség volt, amely az első alkalommal történő expozíció és a lyukasztótábla ismételt expozíciója között következett be (P < 0,0019, t-teszt). Az ANOVA rendkívül szignifikáns megszokási hatást mutatott a lyukasztótáblához .
A vizsgálat alapjául szolgáló hipotézis az, hogy az LTD korrelál az újdonságok megszerzésének egy meghatározott részével, például a tárgyak téren belüli elhelyezkedésének észlelésével, szemben az allocentrikus tér felfedezésével vagy a tárgyfelismeréssel. Annak tesztelésére, hogy ez igaz-e, a patkányokat egy további kísérletnek vetettük alá. Ugyanazt a lyukasztótáblát helyeztük be a felvevő kamrába, de a tárgyakat most véletlenszerűen helyeztük el a lyukak olyan konstellációjában, amely különbözött az előző konstellációtól. Így ez alkalommal az egyetlen új változó a tárgyak eltérő elhelyezkedése volt; a lyukasztótáblával való ismerkedés már megtörtént (2. ábra, új tárgykonfiguráció). Ezzel a konfigurációval, érdekes módon, az LTD ismét indukálódott . A mező EPSP (fEPSP) meredekség értékei 5 perccel az LFS után 49,0% ± 3,5% volt, ami szignifikánsan alacsonyabb, mint a lyukasztótáblával való első expozíció után tapasztalt értékek (P < 0,05, t-teszt). Így az ismerős tárgyak új térbeli konstellációjának expozíciója által kiváltott LTD indukciója erősebb volt, mint az új tárgyak új konstellációja által kiváltott. Az LTD profiljában azonban nem észleltünk egyéb különbségeket, és az LTD fenntartása nem változott. Ezek az eredmények határozottan arra utalnak, hogy az LTD a tárgyak térbeli leképezésével és nem önmagában a térbeli felfedezéssel függ össze.
A térbeli felfedezés nem elegendő az LTD kiváltásához. A következő kérdésünk az volt, hogy a megfigyelt LTD-hez kizárólag a tárgyak felfedezése járul-e hozzá. Ennek feltárása érdekében a maradék állatainkat a lyukasztótábla újszerű felfedezésével bíztuk meg tárgyak hiányában. Így megvizsgálhattuk, hogy az ismeretlen környezet (azaz a lyukasztótábla) újszerű elsajátítása milyen hatással van az LTD-re, anélkül, hogy a tárgyak és térbeli konfigurációjuk felfedezésének maszkoló hatásait elfedné. Amikor az LFS-t az üres lyukasztótábla jelenléte alatt alkalmaztuk, ez a depresszió csökkent szintjét eredményezte (3a. ábra , n = 6); szignifikánsan kevesebb depresszió volt, amikor az üres lyukasztótábla jelen volt az LFS alatt, mint a kontroll-LFS kísérletben megfigyelt . Így az üres lyukasztótábla felfedezése gátolta a rövid távú depresszió indukcióját (az LFS utáni első három felvétel, P < 0,01). Ebben az esetben nemcsak az LFS volt elégtelen az LTD indukciójához, hanem az új lyukasztótábla felfedezése is ellensúlyozta az LFS hatását. A következő kísérletben ugyanezt az állatcsoportot az immár ismerős lyukasztótáblának tettük ki, de ezúttal tárgyak jelenlétében (3. ábra, lyukasztótábla tárgyakkal, n = 6). Ilyen körülmények között az LFS elősegítette az LTD indukcióját. A kiváltott LTD nem különbözött szignifikánsan attól, amit akkor figyeltek meg, amikor a patkányok először fedezhettek fel egy ismeretlen, új tárgyakat tartalmazó lyukasztót. Ez azt jelenti, hogy a lyukasztótáblához való szoktatás önmagában nem befolyásolta az LTD indukcióját, és tovább erősíti annak valószínűségét, hogy az LTD az új tárgyak felfedezéséhez kapcsolódik.
Az üres lyukasztótábla felfedezése gátolja az LTD-t. (a) Az LFS-szel egyidejűleg az állatokat vagy egy üres lyukasztótáblának (fehér doboz), vagy egy tárgyakat tartalmazó lyukasztótáblának (fekete doboz) tettük ki. (b) Az analóg nyomok (fent) az üres lyukasztótáblának exponált patkányból származó LFS előtti, utáni és 24 órával az LFS-t követő szinteket ábrázolják. (Alsó) Tárgyakat tartalmazó lyukasztótáblával végzett kísérletből rögzített nyomok. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
A térbeli felfedezés, de nem a tárgyak felfedezése elősegíti az LTP-t. Érdekelt bennünket a térbeli felfedezésnek az LTD indukcióra gyakorolt látszólag gátló hatása. E hatás további vizsgálatához megismételtük a fenti kísérletet egy új állatcsoporttal, de az LFS helyett most gyenge HFT-t adtunk (100 impulzus 100 Hz-en), ami normál körülmények között rövid távú potenciációt eredményezett (4a. ábra ). A HFT-t közvetlenül azután alkalmaztuk, hogy a patkányokat bevezettük a lyukasztótáblába (azaz t = 0 perc); az állatoknak 15 percig hagytuk, hogy felfedezzék a lyukasztótáblát, hogy összehasonlítható legyen a megfelelő LFS-kísérlettel. A lyukasztótáblának való kitettség szignifikánsan megkönnyítette az LTP-t (n = 9) a kontrollokhoz képest (n = 9) . Huszonnégy órával később a lyukasztótáblának nem kitett állatoknál nem mutatkozott potencírozás. Az fEPSP-értékek azonban még mindig potenciálódtak a lyukasztótáblának kitett állatokban (P < 0,01, t-teszt). Így a térbeli felfedezés LTD-re gyakorolt gátló hatása, amelyet megfigyeltünk, összefügghet az LTP iránti nagyobb érzékenység irányába történő eltolódással.
Az üres lyukasztótábla felfedezése elősegíti az LTP-t. (a) A nyíllal jelzett időpontban adott gyenge HFT (100 impulzus 100 Hz-en) rövid távú potenciálást indukál. A 15 perces üres lyukasztótábla-kutatás (fehér doboz) kezdetén adott gyenge HFT megkönnyíti a rövid távú potenciálódást az LTP-be. (b) Az analóg nyomvonalak (fent) a HFT előtt, 20 perccel a HFT után és 24 órával a HFT után, egy HFT-kísérletben rögzített potenciálokat ábrázolják. (Alsó) A HFT előtt, 5 perccel a lyukasztótábla eltávolítása után (azaz 20 perccel a HFT után) és 24 órával a HFT után megfigyelt fEPSP-k. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
Ha egy új környezet felfedezése és az ebben a környezetben lévő jelek felfedezése a szinaptikus erősség ellentétes változásaira támaszkodik, feltételezhető, hogy az LTP indukciójának küszöbértéke az új tárgyak felfedezése során emelkedik. Ezt a lehetőséget úgy vizsgáltuk, hogy erős HFT-t adtunk (4 sorozat 30 impulzusból álló sorozat 100 Hz-en, 5 perces intervallumokban) a lyukasztótábla felfedezése során (5a. ábra ). A tetanusz kontroll körülmények között LTP-t indukált a patkányokban. Amikor a lyukasztótábla jelen volt, az LTP depotenciálódását eredményezte. Érdekes módon ez nem azonnal következett be. A lyukasztótábla eltávolítása utáni első 10 percben nem volt szignifikáns különbség a kontroll HFT-válaszok és a lyukasztótábla feltárása alatti HFT-válaszok között. Az fEPSP-k kezdetben a kiindulási érték 146,7% ± 13,8%-ára potenciálódtak a lyukasztótábla nélkül (n = 9) és 123,0% ± 9,7%-ra a lyukasztótábla feltárásával (5 perccel a HFT után, n = 6). Amikor a patkányok a holeboardnak voltak kitéve, a HFT után 15 perccel gyors depotenciáció következett be (P < 0,001, t-teszt). Ez a depotenciáció hosszan tartó volt, és 24 órával a HFT után az érték 100,5% ± 5,7% volt. Az ANOVA szignifikáns hatást mutatott a lyukasztótábla feltárásának a HFT által kiváltott LTP-re .
Az LTP depotenciálódik a tárgyak feltárása által. (a) Az LTP-t erős HFT-vel indukáltuk (4 sorozat 30 impulzusból álló sorozat 100 Hz-en, 5 perces intertrain intervallumokkal, lefelé mutató nyíl) az állatokban egy ismerős felvevő kamrában. Egy új tárgyat tartalmazó lyukasztótábla felfedezése depotenciálta az LTP-t (▪). A HFT után 120 perccel alkalmazott LFS (szaggatott felfelé mutató nyíl jelzi) nem váltott ki szinaptikus depressziót (▴). (b) Az analóg nyomvonalak (fent) a HFT előtt, a HFT után és 24 órával a HFT után a lyukasztótábla feltárása nélküli kísérletből származó fEPSP-ket ábrázolják. (Alsó) Hasonló időpontokban kapott analógok, amikor újszerű felfedezés történt. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
Ha a megfigyelt depotenciáció osztozik a mechanisztikus tulajdonságokban a tárgy-indukált LTD-vel, akkor várható volt, hogy a depotenciáció után alkalmazott LFS nem okoz további szinaptikus depressziót. Az LFS-t 2 órával azután alkalmaztuk, hogy a depotenciációt lyukasztótábla-explorációval kiváltottuk a HFT állatokban. Azért választottuk ezt az időpontot az LFS alkalmazására, mert ekkor a depotenciáció stabilizálódott (n = 5). Az LFS nem indukált szignifikáns LTD-t ilyen körülmények között , ami arra utal, hogy a lyukasztótábla-expozíció által indukált LTD és depotenciáció közös mechanizmusok közösek.
A tárgyak felfedezése által indukált LTD-t az 5-HT4 receptorok modulálják. Az 5-HT4 receptorok aktiválása gátló hatással van az elektromosan indukált LTD-re (nem publikált adatok). Ezenkívül az 5-HT4 receptor szerepét több kognitív funkcióban is leírták az agyban (22-25). Így az 5-HT4 receptorok aktiválása a tárgy-hely asszociációk tanulását is károsíthatja. Patkányok egy csoportja (n = 5) 5 μl RS67333 (2 μg/μl), egy szelektív 5-HT4 agonista intracerebrális injekcióját kapta 30 perccel azelőtt, hogy a tárgyat tartalmazó lyukasztótáblát bemutatták nekik. Egy kontrollcsoport (n = 5) ugyanennyi sóoldatot kapott. Az 5-HT4 receptorok aktiválása teljesen blokkolta a felfedezés által kiváltott LTD kifejeződését (6a ábra ) .
Az RS67333 gátolja az exploráció által kiváltott LTD-t és az új lyukasztótáblához való hozzászokást. (a) Az újszerű feltárás alatt alkalmazott LFS LTD-t indukált, amikor az állatokat sóoldattal injektálták, de nem, amikor 10 μg RS67333-t injektáltak. (b) A lyukasztótáblának való újbóli expozíció. Mindkét csoportba sóoldatot injektáltunk, ahogyan azt a nyíl jelzi. Azok az állatok, amelyeket az első expozíció előtt RS67333-mal injektáltak, most LTD-t fejeztek ki az LFS után. A járműcsoport nem fejezett ki LTD-t. (c) Habituációs teszt nagy lyukasztótáblán. (i) A nyúlások száma a 10 μg RS67333-mal (gyógyszer) vagy sóoldattal (kontroll) injektált állatoknál. A fehér sávok az első expozícióból származó adatokat tartalmazzák, a fekete sávok pedig a 24 órával későbbi újbóli expozícióból származnak. (ii) A fentiekkel megegyező kísérletben rögzített merülések száma. (d) Az LFS előtt, az LFS után és 24 órával az LFS után kapott analóg nyomvonalak. (i) Az a. pontban bemutatott kísérlet. (Felső) Járműves kísérlet. (Alsó) RS67333 beadása. (ii) A nyomok a b-ben bemutatott kísérlet megfelelő analógjait tartalmazzák. A függőleges skálasáv 0,5 mV-nak, a vízszintes sáv pedig 5 ms-nak felel meg.
Az állatokat ezután a lyukasztótáblának való ismételt expozíció során (legalább 7 nappal az első alkalommal történő expozíció után) vizsgálták az LTD-t. A lyukasztótáblának való ismételt expozíció előtt minden állatot sóoldattal injektáltunk, hogy utánozzuk az előző kísérlet körülményeit. Míg azok az állatok, amelyek csak vivőanyag-injekciókat kaptak (az első alkalommal és az újraexpozíció előtt), nem mutatták az LTD megkönnyítését, hasonlóan a 2. ábrán leírt hatásokhoz, az RS67333-t az első alkalommal történő expozíció előtt kapott csoport jelentős LTD-t mutatott . Azzal a posztulátumunkkal összhangban, hogy az LTD új információt kódol, az LTD RS67333 általi gátlása károsíthatta a tárgy-hely asszociációk kódolását. Így amikor az RS67333-mal kezelt állatokat újra kitettük a lyukasztótáblának ugyanazzal a tárgykonstellációval, mint korábban, ez ténylegesen új tapasztalatot jelentett, és így az LTD megkönnyítése következett be.
A megszokás mérése és e lehetőség további megerősítése érdekében hasonló viselkedési kísérletet végeztünk egy nyílt terepen lévő lyukasztótáblán (80 × 80 × 80 cm). A lyukakba való hátrálások és fejbemerülések száma a felfedező aktivitást fejezi ki. Ha a hozzászokás bekövetkezik, akkor várható, hogy az újbóli expozíciónak lényegesen kevesebb hátráláshoz és fejbemerüléshez kell vezetnie. Két nyolc patkányból álló csoportba vakon 10 μg RS67333-at vagy sóoldatot adtak be 30 perccel az első kísérlet előtt. Két, egyenként 15 percig tartó kísérletre 24 óra különbséggel került sor. A kontrollcsoport szignifikánsan kevesebb fejbemerítést és felemelkedést végzett, amikor újra kitették a lyukasztótáblának, összehasonlítva az első kísérletben nyújtott teljesítményükkel (t-próba, P < 0,05, mindkét paraméter, csoporton belül). Ez azt jelenti, hogy a kontroll állatok 24 órával a dobozzal való első találkozásuk után képesek voltak emlékezni a környezetre. A gyógyszercsoport azonban nem mutatott szignifikáns szoktatási hatást a lyukasztótáblához (6b. ábra ). Így, míg a szoktatás normális esetben a nyitott mező dobozának 15 perces felfedezése után következik be, az 5-HT4 receptorok aktiválása gátolta ezt a jelenséget.