Results
LFS induceert kortetermijndepressie in de CA1-regio van vrij bewegende ratten. De mate van LTD uitgelokt door LFS is bekend dat afhankelijk van rattenstam (20). De rat stam gebruikt in deze studie, Harlan Winkelmann Wistar, consistent toonde een depressie van synaptische transmissie na LFS bij 1 Hz, die duurde voor ≈45 min (Fig. 1; n = 16, P < 0.001).
LFS induceert geen LTD. (a) Toepassing van LFS (pijl) geïnduceerde korte-termijn depressie in vergelijking met test-puls gestimuleerde controles. Lijnbreuken geven veranderingen in de tijdschaal. (b) Analoge sporen van gemiddelde fEPSPs genomen op t =-5 min, t = 5 min, en t = 24 uur na LFS. (Boven) Baseline controles. (Onder) Een LFS experiment. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
Verkenning van een Holeboard met objecten tijdens LFS Induceert Robuuste LTD. Ten minste 8 dagen na de controle LFS experimenten, werd het effect van blootstelling aan nieuwigheid op LFS-geïnduceerde reacties onderzocht. Eerdere experimenten toonden aan dat Hooded Lister ratten LTD tot expressie brengen wanneer LFS gelijktijdig wordt gegeven met blootstelling aan nieuwigheden (17, 20). We herhaalden dit protocol met behulp van Harlan Winkelmann Wistar ratten. De dieren mochten een prikbord met vier verschillende objecten verkennen tijdens LFS (Fig. 2, n = 10). Het inbrengen van het gaatjesbord veroorzaakte versterkt exploratief gedrag, en in slechts één geval werden tekenen van stress, d.w.z. bevriezingsgedrag, waargenomen. Deze rat werd uitgesloten van de gegevensanalyse. De exploratie van het object-bevattende gaatjesbord zette een kortdurende depressie om in een LTD die minstens 25 uur aanhield. Individuele verschillen tussen de tijdstippen werden beoordeeld door een t-test analyse van LFS alleen en LFS gelijktijdig met holeboard blootstelling. Hieruit bleek een significant versterkte depressie in de holeboardgroep vanaf t = 15 min (P < 0,05).
Blootstelling aan een nieuw holeboard met objecten vergemakkelijkt LTD. (a) LFS gelijktijdig gegeven met blootstelling aan het holeboard (aangegeven door het zwarte kader) vergemakkelijkte LTD bij de eerste blootstelling (□) of als de objecten opnieuw werden geplaatst (▴). Er trad geen vergemakkelijking op bij hernieuwde blootstelling aan het prikbord met dezelfde objectconfiguratie als bij de eerste blootstelling (▪). (b) Analoge sporen van nieuwheidsexploratie (boven), herbelichting (midden), en nieuwe objectconfiguratie (onder). Ze illustreren (van rechts naar links) niveaus vóór LFS, na LFS, en 24 uur na LFS. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
Om te onderzoeken of het faciliterende effect van nieuwheidsexploratie op LTD werkelijk te wijten was aan nieuwheidverwerving en niet aan een niet-mnemonisch effect zoals verhoogde bewegingsactiviteit (die hersentemperatuur-gerelateerde veranderingen in de magnitude van potentialen zou kunnen uitlokken) (21), stelden we de dieren vervolgens opnieuw bloot aan hetzelfde holeboard met dezelfde constellatie van objecten nadat LTD was teruggekeerd naar pre-LFS niveaus (Fig. 2, her-blootstelling; n = 5). De blootstelling aan een nu vertrouwd holeboard tijdens LFS toepassing lokte niet langer LTD uit. Een voorbijgaande depressie trad echter op, die sneller afnam dan na LFS applicatie in controle-experimenten (t = 45 min; P < 0,05, t-test; n = 5). Vanaf t = 60 min was er een significant verschil tussen de eerste blootstelling en de her-blootstelling aan het gaatjesbord (P < 0,0019, t-test). ANOVA onthulde een zeer significant gewenningseffect aan het holeboard.
De hypothese die ten grondslag ligt aan deze studie is dat LTD correleert met een specifiek deel van nieuwheidsverwerving, zoals detectie van objectlocatie binnen de ruimte, in tegenstelling tot exploratie van allocentrische ruimte of objectherkenning. Om te testen of dit waar is, onderwierpen we de ratten aan een ander experiment. Hetzelfde gatenbord werd in de opnameruimte geplaatst, maar de objecten werden nu willekeurig geplaatst in een constellatie van gaten die verschilde van de vorige constellatie. In dit geval was de enige nieuwe variabele dus de andere plaats van de voorwerpen; de ratten waren al vertrouwd geraakt met het gaatjesbord (Fig. 2, nieuwe voorwerpenconfiguratie). Met deze configuratie werd, intrigerend genoeg, opnieuw LTD geïnduceerd. De veld EPSP (fEPSP) helling waarden 5 min na LFS waren 49,0% ± 3,5%, significant lager dan de waarden gezien na de eerste blootstelling aan het holeboard (P < 0,05, t-test). De inductie van LTD opgewekt door blootstelling aan een nieuwe ruimtelijke constellatie van bekende objecten was dus sterker dan die opgewekt door een nieuwe constellatie van nieuwe objecten. Er werden echter geen andere verschillen in het profiel van LTD waargenomen, en de handhaving van LTD was niet veranderd. Deze bevindingen wijzen er sterk op dat LTD geassocieerd is met het ruimtelijk in kaart brengen van objecten en niet met ruimtelijke exploratie op zich.
Ruimtelijke exploratie is niet voldoende om LTD te triggeren. De volgende vraag die we onderzochten was of exploratie van de objecten de enige bijdrage was aan de waargenomen LTD. Om dit te onderzoeken, hebben we de rest van onze dieren toegewezen aan nieuwe exploratie van het holeboard in de afwezigheid van objecten. Zo konden we het effect onderzoeken dat nieuwe acquisitie van een onbekende omgeving (d.w.z. het holeboard) heeft op LTD, zonder maskereffecten van exploratie van de objecten en hun ruimtelijke configuratie. Wanneer LFS werd toegepast tijdens de aanwezigheid van het lege holeboard, resulteerde dit in een verminderd niveau van depressie (Fig. 3a , n = 6); er was significant minder depressie wanneer het lege holeboard aanwezig was tijdens LFS, zoals waargenomen in het controle-LFS experiment. De verkenning van het lege holeboard remde dus de inductie van kortetermijndepressie (eerste drie opnamen na LFS, P < 0,01). In dit geval was niet alleen de LFS onvoldoende voor de inductie van LTD, maar ook de exploratie van het nieuwe holeboard werkte het effect van LFS tegen. In het volgende experiment werd dezelfde groep dieren blootgesteld aan het nu bekende holeboard, maar dit keer in de aanwezigheid van objecten (Fig. 3, holeboard met objecten, n = 6). Onder deze omstandigheden vergemakkelijkte LFS de inductie van LTD. De LTD die werd opgewekt verschilde niet significant van de LTD die werd waargenomen wanneer de ratten voor de eerste keer een onbekend holeboard met nieuwe objecten mochten verkennen. Dit impliceert dat gewenning aan het holeboard alleen geen invloed had op de LTD inductie en ondersteunt verder de waarschijnlijkheid dat LTD geassocieerd wordt met exploratie van nieuwe objecten.
Exploratie van leeg holeboard remt LTD. (a) Gelijktijdig met LFS werden de dieren blootgesteld aan ofwel een leeg holeboard (witte box) of een holeboard met objecten (zwarte box). (b) Analoge sporen (boven) geven de niveaus weer voor, na en 24 uur na LFS van een rat die blootgesteld werd aan het lege holeboard. (Onder) Sporen opgenomen tijdens een experiment met een gaatjesbord met voorwerpen. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
Ruimtelijke exploratie maar niet Object Exploratie Faciliteert LTP. We waren geïntrigeerd door de blijkbaar remmende effect ruimtelijke exploratie had op LTD inductie. Om dit effect verder te onderzoeken, herhaalden we het bovenstaande experiment met een nieuwe set dieren, maar in plaats van LFS gaven we nu een zwakke HFT (100 pulsen bij 100 Hz), die onder normale omstandigheden korte-termijn potentiatie produceerde (Fig. 4a ). HFT werd toegepast onmiddellijk nadat de ratten werden geïntroduceerd aan het holeboard (d.w.z. t = 0 min); de dieren mochten het holeboard gedurende 15 min verkennen om het vergelijkbaar te maken met het overeenkomstige LFS-experiment. Blootstelling aan het gaatjesbord vergemakkelijkte LTP aanzienlijk (n = 9) in vergelijking met controles (n = 9). Vierentwintig uur later was er geen potentiatie te zien bij dieren die niet aan het gaatjesbord waren blootgesteld. De fEPSP-waarden waren echter nog steeds versterkt bij dieren die aan het gaatjesbord waren blootgesteld (P < 0,01, t-test). Het remmende effect van ruimtelijke exploratie op LTD, dat we waarnamen, kan dus gecorreleerd zijn met een verschuiving naar een hogere gevoeligheid voor LTP.
Exploratie van lege holeboard vergemakkelijkt LTP. (a) Zwakke HFT (100 pulsen bij 100 Hz) gegeven op het tijdstip aangegeven door de pijl induceert korte termijn potentiatie. Zwakke HFT gegeven aan het begin van 15 min van lege holeboard exploratie (wit vak) vergemakkelijkt op korte termijn potentiatie in LTP. (b) Analoge sporen (Boven) vertegenwoordigen potentials opgenomen vóór HFT, 20 min na HFT, en 24 uur na HFT, in een HFT experiment. (Onder) fEPSPs waargenomen vóór HFT, 5 min na holeboard verwijdering (dat wil zeggen, 20 min na HFT), en 24 uur na HFT. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
Als exploratie van een nieuwe omgeving en exploratie van cues binnen deze omgeving berust op tegengestelde veranderingen in synaptische sterkte, kan worden verondersteld dat de drempel voor inductie van LTP wordt verhoogd tijdens de verkenning van nieuwe objecten. We onderzochten deze mogelijkheid door het geven van een sterke HFT (4 treinen van 30 pulsen bij 100 Hz, met 5-min interval) tijdens de verkenning van het holeboard (Fig. 5a ). De tetanus induceerde LTP bij de ratten onder controle condities. Wanneer het holeboard aanwezig was, resulteerde dit in een depotentiëring van LTP. Interessant is dat dit niet onmiddellijk gebeurde. In de eerste 10 minuten na het verwijderen van het holeboard was er geen significant verschil tussen controle HFT responsen en HFT responsen onder holeboard exploratie. De fEPSP’s werden aanvankelijk versterkt tot 146,7% ± 13,8% van de uitgangswaarde zonder gaatje (n = 9) en 123,0% ± 9,7% met verkenning van het gaatje (5 min na HFT, n = 6). Wanneer de ratten waren blootgesteld aan het gaatjesbord, trad een snelle depotentiatie op 15 min na HFT (P < 0,001, t-test). Deze depotentiëring was langdurig, en 24 uur na HFT was de waarde 100,5% ± 5,7%. ANOVA onthulde een significant effect van hole-board exploratie op de HFT-geïnduceerde LTP .
LTP wordt gedepotentieerd door object exploratie. (a) LTP werd geïnduceerd door sterke HFT (4 treinen van 30 pulsen bij 100 Hz met 5-min interval tussen de pulsen, pijl naar beneden) in dieren in een vertrouwde opnamekamer. Verkenning van een nieuw object-bevattende holeboard gedepotentieerde LTP (▪). LFS toegepast 120 min na HFT (aangegeven door stippellijn naar boven pijl) niet leiden tot een synaptische depressie (▴). (b) Analoge traces (Boven) vertegenwoordigen fEPSPs van een experiment zonder holeboard exploratie vóór HFT, na HFT, en 24 uur na HFT. (Onder) Analogen verkregen op soortgelijke tijdstippen wanneer nieuwe exploratie had plaatsgevonden. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
Als de waargenomen depotentiatie mechanistische eigenschappen deelt met object-geïnduceerde LTD, zou verwacht kunnen worden dat LFS toegepast na depotentiatie geen verdere synaptische depressie zou veroorzaken. We brachten LFS 2 uur nadat depotentiatie was geïnduceerd door holeboard exploratie in HFT dieren. Dit tijdstip voor de toepassing van LFS werd gekozen omdat er een stabilisatie van de depotentiatie op dat moment was (n = 5). Er werd geen significante LTD geïnduceerd door LFS onder deze condities, wat suggereert dat LTD en depotentiatie geïnduceerd door holeboard blootstelling gemeenschappelijke mechanismen hebben.
LTD Geïnduceerd door Object Exploratie wordt gemoduleerd door 5-HT4 Receptoren. Activatie van 5-HT4 receptoren heeft een remmend effect op elektrisch geïnduceerde LTD (ongepubliceerde data). Bovendien is een rol voor de 5-HT4 receptor beschreven voor meerdere cognitieve functies in de hersenen (22-25). Activering van 5-HT4 receptoren kan dus ook het leren van object-plaats associaties belemmeren. Een groep ratten (n = 5) kreeg een intracerebrale injectie van 5 ul van RS67333 (2 ug / ul), een selectieve 5-HT4 agonist, 30 min voordat ze werden geïntroduceerd aan het object-bevattende holeboard. Een controlegroep (n = 5) kreeg dezelfde hoeveelheid zoutoplossing. De activering van 5-HT4 receptoren blokkeerde volledig de exploratie-geïnduceerde expressie van LTD (Fig. 6a ) .
RS67333 remt exploratie-geïnduceerde LTD en gewenning aan nieuwe holeboard. (a) LFS toegepast onder nieuwe exploratie geïnduceerde LTD wanneer dieren werden geïnjecteerd met zoutoplossing, maar niet wanneer geïnjecteerd met 10 ug van RS67333. (b) Her-blootstelling aan het prikbord. Beide groepen werden geïnjecteerd met zoutoplossing, zoals aangegeven met een pijl. De dieren die werden geïnjecteerd met RS67333 vóór de eerste blootstelling nu uitgedrukt LTD na LFS. De voertuig-groep niet tot expressie LTD. (c) Habituatie test in grote holeboard. (i) Aantal rears in dieren geïnjecteerd met 10 ug van RS67333 (drug) of met zoutoplossing (controle). Witte balken bevatten gegevens van de eerste blootstelling, en zwarte balken zijn van re-exposure 24 uur later. (ii) Aantal dips opgenomen in hetzelfde experiment als hierboven. (d) Analoge sporen verkregen vóór LFS, na LFS, en 24 uur na LFS. (i) Experiment getoond in a. (Boven) Voertuig experiment. (Onder) Injectie van RS67333. (ii) Traces omvatten de overeenkomstige analogen van het experiment getoond in b. Verticale schaal balk komt overeen met 0,5 mV, en horizontale balk komt overeen met 5 ms.
De dieren werden vervolgens getest op LTD tijdens her-blootstelling aan het gaatje boord (ten minste 7 dagen na de eerste keer blootstelling). Voor de her-blootstelling aan het holeboard, werden alle dieren geïnjecteerd met een zoutoplossing om de omstandigheden van het vorige experiment na te bootsen. Overwegende dat de dieren die alleen had ontvangen voertuig injecties (voor de eerste keer en de her-blootstelling) toonde geen vergemakkelijking van LTD vergelijkbaar met effecten beschreven in Fig. 2, de groep die had ontvangen RS67333 voor de eerste keer blootstelling toonde significante LTD . In overeenstemming met ons postulaat dat LTD nieuwe informatie codeert, kan de remming van LTD door RS67333 het coderen van de object-plaats associaties hebben belemmerd. Dus, wanneer we de RS67333 behandelde dieren opnieuw blootstelden aan het holeboard met dezelfde object constellatie als voorheen, bestond dit effectief uit een nieuwe ervaring, en dus LTD facilitatie optrad.
Om een meting van gewenning te verkrijgen en verdere bevestiging van deze mogelijkheid, deden we een soortgelijk gedragsexperiment in een open-veld holeboard (80 × 80 × 80 cm). Het aantal koprollen en kopduikingen in de gaten is een uitdrukking van exploratieve activiteit. Als er gewenning optreedt, kan worden verwacht dat herontdekking tot aanzienlijk minder steigeren en kopduiken leidt. Twee groepen van acht ratten werden blind geïnjecteerd met ofwel 10 ug van RS67333 of zoutoplossing 30 min voor de eerste proef. Twee proeven, elk met een duur van 15 minuten, vonden plaats 24 uur na elkaar. De controlegroep deed significant minder kopduiken en steigeren wanneer opnieuw blootgesteld aan holeboard in vergelijking met hun prestaties in de eerste proef (t-test, P < 0,05, beide parameters, binnen groep). Dit betekent dat de controledieren in staat waren om zich de omgeving te herinneren 24 uur na hun eerste kennismaking met de doos. De medicijngroep vertoonde echter geen significant gewenningseffect aan het gaatjesbord (Fig. 6b ). Dus, terwijl gewenning normaal optreedt na 15 min exploratie van de open veld box, remde activering van 5-HT4 receptoren dit fenomeen.