Wyniki
LFS Indukuje krótkoterminową depresję w regionie CA1 u swobodnie poruszających się szczurów. Wiadomo, że stopień LTD wywołany przez LFS zależy od szczepu szczura (20). Szczep szczurów użyty w tym badaniu, Harlan Winkelmann Wistar, konsekwentnie wykazywał depresję transmisji synaptycznej po LFS przy 1 Hz, która utrzymywała się przez ≈45 min (ryc. 1; n = 16, P < 0,001).
LFS nie indukuje LTD. (a) Aplikacja LFS (strzałka) wywołała krótkotrwałą depresję w porównaniu z kontrolą stymulowaną impulsami testowymi. Przerwy w linii wskazują zmiany w skali czasowej. (b) Analogowe ślady uśrednionych fEPSP pobranych w t = 5 min, t = 5 min, i t = 24 h po LFS. (Górny) Kontrola linii podstawowej. (Dolny) Eksperyment LFS. Pionowy pasek skali odpowiada 0,5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Eksploracja tablicy z otworami zawierającej obiekty podczas LFS indukuje solidną LTD. Co najmniej 8 dni po kontrolnych eksperymentach LFS, zbadano wpływ ekspozycji na nowość na odpowiedzi wywoływane przez LFS. Poprzednie eksperymenty wykazały, że szczury Hooded Lister wyrażają LTD, gdy LFS jest podawany jednocześnie z ekspozycją na nowość (17, 20). Powtórzyliśmy ten protokół używając szczurów Harlan Winkelmann Wistar. Zwierzęta mogły eksplorować tablicę z otworami, na której znajdowały się cztery różne obiekty podczas LFS (ryc. 2, n = 10). Wstawienie tablicy z otworami powodowało nasilenie zachowań eksploracyjnych i tylko w jednym przypadku zaobserwowano oznaki stresu, tj. zachowania zamrażające. Szczur ten został wykluczony z analizy danych. Eksploracja tablicy z otworami przekształciła krótkotrwałą depresję w LTD, która utrzymywała się przez co najmniej 25 godzin. Indywidualne różnice w punktach czasowych oceniano testem t dla LFS podawanego samodzielnie i LFS podawanego jednocześnie z ekspozycją na tablicę z otworami. Ujawniło to istotnie zwiększoną depresję w grupie z tablicą otworkową od t = 15 min (P < 0,05).
Ekspozycja na nową tablicę otworkową z obiektami ułatwia LTD. (a) LFS podane jednocześnie z ekspozycją na tablicę z otworami (zaznaczone czarną ramką) ułatwiało LTD przy pierwszej ekspozycji (□) lub gdy obiekty były ponownie umieszczone (▴). Żadne ułatwienie nie wystąpiło przy ponownej ekspozycji na tablicę otworkową zawierającą tę samą konfigurację obiektów, co przy pierwszej ekspozycji (▪). (b) Ślady analogowe reprezentujące eksplorację nowości (Góra), reekspozycję (Środek) i konfigurację nowego obiektu (Dół). Ilustrują one (od prawej do lewej) poziomy przed LFS, po LFS i 24 h po LFS. Pionowy pasek skali odpowiada 0,5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Aby zbadać, czy efekt ułatwienia eksploracji nowości na LTD rzeczywiście wynikał z przyswajania nowości, a nie z efektu niemnemonicznego, takiego jak zwiększona aktywność lokomotoryczna (która mogłaby wywołać związane z temperaturą mózgu zmiany w wielkości potencjałów) (21), poddaliśmy zwierzęta ponownej ekspozycji na tę samą tablicę z tą samą konstelacją obiektów, po tym jak LTD powróciła do poziomu sprzed LFS (ryc. 2, ponowna ekspozycja; n = 5). Ekspozycja na teraz znaną tablicę podczas aplikacji LFS nie wywoływała już LTD. Wystąpiła jednak przejściowa depresja, która zmniejszała się szybciej niż po aplikacji LFS w eksperymentach kontrolnych (t = 45 min; P < 0,05, test t; n = 5). Od t = 60 min wystąpiła istotna różnica między pierwszą a ponowną ekspozycją na tablicę z otworami (P < 0,0019, test t). ANOVA ujawniła wysoce istotny efekt habituacji do tablicy .
Hipoteza leżąca u podstaw tego badania jest taka, że LTD koreluje ze specyficzną częścią akwizycji nowości, taką jak wykrywanie lokalizacji obiektu w przestrzeni, w przeciwieństwie do eksploracji przestrzeni allocentrycznej lub rozpoznawania obiektów. Aby sprawdzić, czy jest to prawdą, poddaliśmy szczury kolejnemu eksperymentowi. Ta sama tablica z otworami została włożona do komory rejestrującej, ale obiekty były teraz losowo umieszczone w konstelacji otworów, która różniła się od poprzedniej konstelacji. Tak więc, przy tej okazji, jedyną nową zmienną było inne położenie obiektów; zaznajomienie z tablicą otworów miało już miejsce (Rys. 2, nowa konfiguracja obiektów). Przy tej konfiguracji, co intrygujące, ponownie indukowano LTD. Wartości nachylenia polowego EPSP (fEPSP) 5 min po LFS wynosiły 49,0% ± 3,5% i były istotnie niższe od wartości obserwowanych po pierwszej ekspozycji na tablicę z otworami (P < 0,05, test t). Tak więc, indukcja LTD wywołana przez ekspozycję na nową przestrzenną konstelację znanych obiektów była silniejsza niż wywołana przez nową konstelację nowych obiektów. Nie zauważono jednak żadnych innych różnic w profilu LTD, a utrzymanie LTD nie uległo zmianie. Wyniki te silnie wskazują, że LTD jest związana z przestrzennym mapowaniem obiektów, a nie z eksploracją przestrzenną per se.
Eksploracja przestrzenna nie wystarcza do wyzwolenia LTD. Następnym pytaniem, którym się zajęliśmy, było to, czy eksploracja obiektów była jedynym czynnikiem przyczyniającym się do obserwowanego LTD. Aby to zbadać, przydzieliliśmy pozostałe zwierzęta do nowej eksploracji tablicy z otworami przy braku obiektów. W ten sposób mogliśmy zbadać wpływ nowej akwizycji nieznanego środowiska (tj. tablicy z otworami) na LTD, bez efektów maskujących wynikających z eksploracji obiektów i ich konfiguracji przestrzennej. Gdy LFS zastosowano podczas obecności pustej tablicy, spowodowało to upośledzenie poziomu depresji (ryc. 3a , n = 6); depresja była znacząco mniejsza, gdy pusta tablica była obecna podczas LFS, jak zaobserwowano w eksperymencie kontrolnym-LFS . Tak więc eksploracja pustej tablicy otworkowej hamowała indukcję krótkotrwałej depresji (pierwsze trzy nagrania po LFS, P < 0,01). W tym przypadku nie tylko LFS było niewystarczające do indukcji LTD, ale również eksploracja nowej tablicy z otworami przeciwdziałała efektowi LFS. W kolejnym eksperymencie, ta sama grupa zwierząt była eksponowana na znaną już tablicę z otworami, ale tym razem w obecności obiektów (ryc. 3, tablica z otworami z obiektami, n = 6). W tych warunkach LFS ułatwiało indukcję LTD. Wywołana LTD nie różniła się istotnie od tej obserwowanej u szczurów, którym po raz pierwszy pozwolono eksplorować nieznaną tablicę z otworami i nowymi obiektami. Sugeruje to, że habituacja do samej tablicy nie miała wpływu na indukcję LTD i dodatkowo wspiera prawdopodobieństwo, że LTD jest związana z eksploracją nowych przedmiotów.
Eksploracja pustej tablicy z otworami hamuje LTD. (a) Równocześnie z LFS zwierzęta były eksponowane na pustą tablicę otworkową (biała ramka) lub tablicę otworkową zawierającą obiekty (czarna ramka). (b) Ślady analogowe (górne) przedstawiają poziomy przed, po i 24 h po LFS u szczura eksponowanego na pustą tablicę. (Dolny) Ślady zarejestrowane podczas eksperymentu z tablicą zawierającą obiekty. Pionowy pasek skali odpowiada 0,5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Eksploracja przestrzenna, ale nie eksploracja obiektu ułatwia LTP. Zaintrygował nas pozornie hamujący wpływ eksploracji przestrzennej na indukcję LTD. Aby dokładniej zbadać ten efekt, powtórzyliśmy powyższy eksperyment z nowym zestawem zwierząt, ale zamiast LFS podaliśmy teraz słabe HFT (100 impulsów o częstotliwości 100 Hz), które w normalnych warunkach wywoływały krótkotrwałe potencjacje (Ryc. 4a ). HFT zastosowano natychmiast po wprowadzeniu szczurów na tablicę otworkową (t = 0 min); zwierzętom pozwolono eksplorować tablicę otworkową przez 15 min, aby eksperyment był porównywalny z analogicznym eksperymentem LFS. Ekspozycja na tablicę otworkową znacząco ułatwiła LTP (n = 9) w porównaniu z kontrolą (n = 9). Dwadzieścia cztery godziny później u zwierząt, które nie były eksponowane na tablicę, nie zaobserwowano potencjalizacji. Jednakże wartości fEPSP były nadal wzmacniane u zwierząt eksponowanych na tablicę z otworami (P < 0,01, test t). Tak więc obserwowany przez nas hamujący wpływ eksploracji przestrzennej na LTD może być skorelowany z przesunięciem w kierunku większej podatności na LTP.
Eksploracja pustej tablicy otworkowej ułatwia LTP. (a) Słaba HFT (100 impulsów przy 100 Hz) podana w punkcie czasowym wskazanym przez strzałkę indukuje krótkotrwałe potencjowanie. Słaba HFT podana na początku 15 min eksploracji pustej tablicy (biała ramka) ułatwia przejście krótkotrwałej potencjacji w LTP. (b) Ślady analogowe (górne) przedstawiają potencjały zarejestrowane przed HFT, 20 min po HFT i 24 h po HFT, w eksperymencie HFT. (Dolne) fEPSPs obserwowane przed HFT, 5 min po usunięciu tablicy otworkowej (tj. 20 min po HFT) i 24 h po HFT. Pionowy pasek skali odpowiada 0.5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Jeśli eksploracja nowego środowiska i eksploracja wskazówek w tym środowisku polega na przeciwstawnych zmianach w sile synaptycznej, można by postawić hipotezę, że próg dla indukcji LTP jest podniesiony podczas eksploracji nowych obiektów. Zbadaliśmy tę możliwość podając silny HFT (4 ciągi po 30 impulsów o częstotliwości 100 Hz, w odstępach 5-minutowych) podczas eksploracji tablicy z otworami (Ryc. 5a ). W warunkach kontrolnych tężec wywołał LTP u szczurów. Obecność tablicy otworkowej powodowała depotencjację LTP. Co ciekawe, nie działo się to natychmiast. W pierwszych 10 min po usunięciu tablicy nie było istotnej różnicy między kontrolnymi odpowiedziami HFT a odpowiedziami HFT w warunkach eksploracji tablicy. FEPSP były początkowo wzmocnione do 146,7% ± 13,8% wartości wyjściowej bez tablicy (n = 9) i 123,0% ± 9,7% przy eksploracji tablicy (5 min po HFT, n = 6). Gdy szczury były eksponowane na tablicę, szybka depotencjacja wystąpiła 15 min po HFT (P < 0,001, test t). Depotencjacja ta była długotrwała, a 24 h po HFT wartość ta wynosiła 100,5% ± 5,7%. ANOVA wykazała istotny wpływ eksploracji tablicy z otworami na LTP wywołane HFT .
LTP jest depotencjowana przez eksplorację obiektów. (a) LTP indukowano przez silną HFT (4 ciągi po 30 impulsów o częstotliwości 100 Hz z 5-minutowymi przerwami między nimi, strzałka w dół) u zwierząt w znanej im komorze nagraniowej. Eksploracja nowego obiektu zawierającego tablicę z otworami depotencjalizowała LTP (▪). LFS zastosowane 120 min po HFT (wskazane przerywaną strzałką w górę) nie wywołało żadnej depresji synaptycznej (▴). (b) Ślady analogowe (górne) przedstawiają fEPSP z eksperymentu bez eksploracji tablicy otworkowej przed HFT, po HFT i 24 h po HFT. (Niżej) Analogi uzyskane w podobnych punktach czasowych, gdy miała miejsce eksploracja nowej tablicy. Pionowy pasek skali odpowiada 0,5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Jeśli obserwowana depotencjacja dzieli właściwości mechanistyczne z LTD indukowaną obiektem, można by oczekiwać, że LFS zastosowana po depotencjacji nie spowoduje dalszej depresji synaptycznej. Zastosowaliśmy LFS 2 h po tym, jak depotencjacja została wywołana przez eksplorację tablicy otworkowej u zwierząt HFT. Ten punkt czasowy dla zastosowania LFS został wybrany, ponieważ w tym czasie nastąpiła stabilizacja depotencjacji (n = 5). W tych warunkach LFS nie wywołał istotnej LTD, co sugeruje, że istnieją wspólne mechanizmy dla LTD i depotencjacji wywołanej ekspozycją na tablicę otworkową.
LTD Induced by Object Exploration Is Modulated by 5-HT4 Receptors. Aktywacja receptorów 5-HT4 ma hamujący wpływ na LTD indukowane elektrycznie (dane niepublikowane). Co więcej, rola receptora 5-HT4 została opisana dla wielu funkcji poznawczych w mózgu (22-25). Zatem aktywacja receptorów 5-HT4 może również upośledzać uczenie się skojarzeń obiekt-miejsce. Grupa szczurów (n = 5) otrzymała domózgową iniekcję 5 μl RS67333 (2 μg/μl), selektywnego agonisty 5-HT4, 30 min przed wprowadzeniem ich do tablicy z otworami, zawierającej obiekty. Grupa kontrolna (n = 5) otrzymała taką samą ilość soli fizjologicznej. Aktywacja receptorów 5-HT4 całkowicie zablokowała indukowaną eksploracją ekspresję LTD (ryc. 6a ) .
RS67333 hamuje indukowaną eksploracją LTD i habituację do nowej tablicy otworów. (a) LFS zastosowane w warunkach nowej eksploracji wywołało LTD, gdy zwierzętom wstrzyknięto sól fizjologiczną, ale nie gdy wstrzyknięto 10 μg RS67333. (b) Ponowna ekspozycja na tablicę z otworami. Obu grupom wstrzyknięto sól fizjologiczną, jak wskazano strzałką. Zwierzęta, którym wstrzyknięto RS67333 przed pierwszą ekspozycją, wykazują teraz ekspresję LTD po LFS. Grupa z pojazdem nie wykazała ekspresji LTD. (c) Test habituacji w dużej tablicy otworkowej. (i) Liczba powtórzeń u zwierząt, którym wstrzyknięto 10 μg RS67333 (lek) lub sól fizjologiczną (kontrola). Białe słupki obejmują dane z pierwszej ekspozycji, a czarne słupki są z ponownej ekspozycji 24 h później. (ii) Liczba spadków zarejestrowana w tym samym eksperymencie, jak powyżej. (d) Ślady analogowe uzyskane przed LFS, po LFS i 24 h po LFS. (i) Eksperyment przedstawiony w a. (Górny) Eksperyment z nośnikiem. (Niżej) Wstrzyknięcie RS67333. (ii) Ślady obejmują odpowiednie analogi z eksperymentu pokazanego w b. Pionowy pasek skali odpowiada 0,5 mV, a poziomy pasek odpowiada 5 ms.
Zwierzęta były następnie badane pod kątem LTD podczas ponownej ekspozycji na tablicę otworkową (co najmniej 7 dni po pierwszej ekspozycji). Przed ponowną ekspozycją na tablicę otworkową, wszystkim zwierzętom wstrzyknięto sól fizjologiczną, aby naśladować warunki z poprzedniego eksperymentu. Podczas gdy zwierzęta, które otrzymały tylko zastrzyki z nośnikiem (przed pierwszą i ponowną ekspozycją) nie wykazały ułatwienia LTD podobnego do efektów opisanych na Rys. 2, grupa, która otrzymała RS67333 przed pierwszą ekspozycją wykazała znaczące LTD . Zgodnie z naszym postulatem, że LTD koduje nowe informacje, hamowanie LTD przez RS67333 mogło upośledzić kodowanie skojarzeń obiekt-miejsce. Tak więc, gdy ponownie wystawiliśmy zwierzęta poddane działaniu RS67333 na tablicę z tą samą konstelacją obiektów co poprzednio, skutecznie stanowiło to nowe doświadczenie, a zatem wystąpiła facylitacja LTD.
Aby uzyskać pomiar przyzwyczajenia i dalsze potwierdzenie tej możliwości, przeprowadziliśmy podobny eksperyment behawioralny na tablicy z otworem w otwartym polu (80 × 80 × 80 cm). Liczba rearsów i zanurzeń głowy w otworach jest wyrazem aktywności eksploracyjnej. Jeśli występuje habituacja, można oczekiwać, że ponowna ekspozycja powinna prowadzić do znacznie mniejszej liczby prób ucieczki i zanurzania głowy. Dwóm grupom ośmiu szczurów wstrzykiwano na ślepo albo 10 μg RS67333 albo sól fizjologiczną 30 min przed pierwszą próbą. Dwie próby, każda trwająca 15 minut, miały miejsce w odstępie 24 godzin. Grupa kontrolna wykonała znacząco mniej zanurzeń głowy i podskoków, gdy była ponownie wystawiona na działanie tablicy otworowej, w porównaniu do ich wyników w pierwszej próbie (test t, P < 0,05, oba parametry, w obrębie grupy). Oznacza to, że zwierzęta kontrolne były w stanie zapamiętać otoczenie po 24 h od pierwszego kontaktu z pudełkiem. Grupa otrzymująca lek nie wykazywała natomiast istotnego efektu habituacji do tablicy otworkowej (ryc. 6b ). Tak więc, podczas gdy habituacja normalnie występuje po 15 min eksploracji pudełka z otwartym polem, aktywacja receptorów 5-HT4 hamowała to zjawisko.