해마 표현과 스테핑 간의 동적 동기화

Nature 617권, 125~131페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

해마는 공간 표현1을 표현하고 탐색2,3에 중요한 포유류의 뇌 구조입니다. 내비게이션은 이동에 복잡하게 의존합니다. 그러나 현재의 설명은 해마 공간 표현과 운동 과정의 세부 사항 사이의 분리를 제안합니다. 특히, 해마는 주로 위치, 속도, 운동 방향과 같은 고차원 인지 및 운동 변수를 나타내는 것으로 생각되는 반면, 동물을 추진하는 사지 움직임은 주로 피질하 회로에서 계산되고 표현될 수 있습니다. 척수, 뇌간 및 소뇌를 포함합니다8,9,10,11. 해마 표현이 실제로 운동 과정의 세부 구조와 분리되어 있는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. 이 문제를 해결하기 위해 여기에서 우리는 빠른 시간 단위로 운동의 기초가 되는 해마 공간 표현과 지속적인 사지 움직임을 동시에 모니터링했습니다. 우리는 자유롭게 행동하는 쥐의 앞다리 스테핑 주기가 리듬이 있고 운동 중 약 8Hz에서 최고조에 달하며 운동 중 해마 활동 및 공간 표현의 약 8Hz 변조와 일치한다는 것을 발견했습니다. 우리는 또한 앞다리가 땅에 닿는 시간(걸음 주기의 '식물' 시간)과 공간의 해마 표현 사이의 정확한 시간 조정을 발견했습니다. 특히, 식물 시간은 쥐 코의 실제 위치에 가장 가까운 해마 표현과 일치하는 반면, 이러한 식물 시간 사이에 해마 표현은 가능한 미래 위치를 향해 진행됩니다. 이러한 동기화는 쥐가 공간 결정에 접근할 때 특히 감지 가능했습니다. 함께, 우리의 결과는 중추 인지 표현과 말초 운동 과정 사이의 수십 밀리초의 시간 척도에서 심오하고 역동적인 조정을 보여줍니다. 이러한 조정은 인지적 요구와 관련하여 빠르게 참여하고 해제되며 인지 회로와 감각 운동 회로 간의 신속한 정보 교환을 지원하는 데 매우 적합합니다.

동물이 환경을 횡단함에 따라 해마의 신경 집단 표현은 종종 동물의 실제 위치 뒤, 앞, 앞의 위치를 ​​포함하여 일련의 공간 위치를 통해 진행됩니다. 이러한 시퀀스는 세타 리듬12,19과 동시에 약 8Hz에서 반복되며 메모리 유도 동작4,6을 알려주는 사용 가능한 탐색 공간의 '지도'20,21를 반영하는 것으로 널리 생각됩니다. 이 아이디어와 일치하여 해마 활동 또는 세타를 방해하면 공간 기억 작업22,23,24의 성능이 손상됩니다. 여기서 올바른 성능은 하나 이상의 기억된 위치로의 이동을 포함합니다. 따라서 해마 표현은 운동 활동과 관련된 결정을 알릴 수 있습니다. 반대로, 운동 활동은 동물을 움직이고, 동물이 움직일 때 해마 공간 표현은 새로운 위치로 이동합니다.

현재의 설명에서는 해마 계산이 인지 지도 또는 탐색 옵션을 나타낸다고 가정하지만 이러한 표현의 타이밍과 운동 과정의 세부 구조(예: 개별 발자국의 타이밍) 사이의 연결을 가정하지는 않습니다. 특히 해마는 위치, 속도 및 방향을 포함한 고차 운동 관련 변수를 나타내는 것으로 알려져 있는 반면, 척수, 뇌간 및 소뇌 회로는 개별 사지 움직임을 나타내고 구동합니다8,9,10,11. 그러나 해마 표현과 사지 움직임의 결합은 조사되지 않았으며 정보 흐름을 촉진하기 위해 뇌 시스템 전반에 걸쳐 활동을 동기화하는 데 이점이 있을 수 있습니다.

따라서 우리는 등쪽 해마 CA1 영역의 신경 활동과 투명한 행동 트랙에서 달리는 쥐의 스테핑 리듬을 동시에 모니터링했습니다. 결과 데이터에는 공간적으로 선택적인 '장소' 세포를 포함한 해마 뉴런의 스파이킹 활동과 세타 리듬의 빈도 측정, 그리고 쥐의 사지 움직임을 추출한 고해상도 언더트랙 비디오가 포함되었습니다(그림 1a, 확장 데이터). 그림 1 및 보충 비디오 1 및 2). 우리는 W자형 트랙에서 해마 의존 공간 기억 작업을 학습하고 수행하는 쥐(n = 5)의 데이터에 중점을 둡니다(그림 1b). 이 작업에 대한 실행 궤적은 아웃바운드(중앙에서 외부 우물을 향해 달리는 쥐) 또는 인바운드(외부 우물에서 중앙 우물을 향해 달리는 쥐)로 분류될 수 있으며 올바른 보상 순서는 중앙-왼쪽-중앙-에 해당합니다. 오른쪽-가운데-왼쪽-가운데-오른쪽 등등.