Araştırma, beynin çalışma belleğinde bilgi depolayan sinir mekanizmasını ortaya koyuyor
5 Mart'ta, Neuron dergisi "Granül içermeyen insüler korteksteki geçici nöronal aktivite, yeni görevleri öğrenirken çalışma belleği depolamayı düzenler" başlıklı bir çevrimiçi araştırma makalesi yayınladı. Araştırma, Çin Bilimler Akademisi Beyin Bilimi ve Akıllı Teknoloji Mükemmelliği İnovasyon Merkezi (Nörobilim Enstitüsü), Şangay Beyin Bilimi ve Beyin Benzeri Araştırma Merkezi ve Eyalet Anahtar Nörobilim Laboratuvarı Li Chengyu araştırma grubu tarafından tamamlandı.
Çalışma belleği, beynin bilgiyi ikinci düzey bir ölçekte sakladığı ve manipüle ettiği temel bir bilişsel işlevi ifade eder.Bu yalnızca insanların günlük yaşamının temel ihtiyaçları değil (bkz. Şekil 1A), aynı zamanda insanlara özgü birçok gelişmiş bilişsel işlevin temelidir. Okuma, düşünme, dil öğrenimi vb. Beyin bilgiyi çalışma belleğinde nasıl depolar? Yaklaşık yarım asırlık bir araştırmadan sonra, bilim adamları iki olası sinir mekanizması olduğuna inanırlar (Şekil 1B): 1. Sürekli kodlama; 2. Geçici kodlama. İlki, beynin bilgiyi depolamak için sürekli olarak ateşlemek için yalnızca az sayıda nörona ihtiyaç duyduğuna inanırken, ikincisi, beynin geçici ateşleme yoluyla (tek bir hücre düzeyinde) bilgiyi depolamak için çok sayıda nöronu çağırmaya daha meyilli olduğuna inanıyor. Önceki korelasyon çalışmaları (elektrofizyolojik kayıtlara dayalı), bu iki bilgi kodlama yönteminin her ikisinin de, önceki deneysel teknik koşulların sınırlamaları nedeniyle bir rol oynayabileceğini göstermiş olsa da, hiçbir çalışma bu iki bilgi kodlama yöntemini çalışma belleği ile doğrudan karşılaştırmamıştır. Davranış kontrolünün yazışması. Bu nedenle, bu çalışmada araştırmacılar, bu konuda derinlemesine araştırma yapmak için kapsamlı bir şekilde davranış, optogenetik, elektrofizyoloji ve diğer yöntemleri uyguladılar.
Şekil 1 | (A1-A2) Yaşamdaki işleyen bellek işlevlerini çağırma ihtiyacına ve ilgili bilimsel sorulara bir örnek (A3). (B) Çalışma belleği için iki tartışmalı bilgi depolama mekanizması vardır. (C) Başı sabitlenmiş fare davranış eğitim cihazı. (D) Koku alma uyarımına dayanan çalışma belleğinin davranışsal bir paradigması.
İlk olarak, araştırmacılar, koku alma uyarımına (Şekil 1C ve 1D) ve bir dizi verimli ve kararlı davranış eğitim sistemine (Şekil 2A1, 5 günlük eğitimden sonra) dayalı bir çalışma belleği davranış paradigmasını başarıyla geliştirdi. Doğru davranış oranı% 80'den fazlasına ulaşabilir). Dahası, çelişki yöntemi aracılığıyla, araştırmacılar, farelerin davranış düzeyini aşağı-düzenleyerek (Şekil 2A2) veya yukarı-düzenleyerek (Şekil 2A 3) ve ardından geçici ve kalıcı nöron oluşumunu izleyerek, bir dizi uygulanabilir deneysel program tasarladılar. Değiştirin (Şekil 2A4-A5).
Araştırmacılar, optogenetik yollarla gecikmiş fazda agranularinsular korteksin (aAIC) elektriksel aktivitesini inhibe etmenin, öğrenme fazı sırasında çalışma belleği görevlerini yerine getiren farelerin davranışsal performansını önemli ölçüde azaltabileceğini buldular. Üç set kontrollü deneyi birleştirerek, aAIC beyin bölgesinin, duyusal bilgiyi, motivasyon seviyesini veya motor kontrolünü kodlamaktan ziyade, esas olarak kısa süreli çalışma belleğinin bilgi depolama sürecinde yer aldığını doğruladılar. Ayrıca, araştırmacılar, medial prefrontal korteksten (mPFC) aAIC'ye (Şekil 2B) projeksiyonu engellemenin, farelerin davranış performansını (Şekil 2C) ve geçici nöronların oranını etkili bir şekilde aşağı düzenleyebileceğini buldular. , Ancak kalıcı nöronların oranında tutarlı değişiklikler görmediler (Şekil 2D). Buna karşılık, mPFC'den aAIC'ye (Şekil 2E) projeksiyonu etkinleştirmek, davranış düzeyini (Şekil 2F) ve geçici nöronların oranını (Şekil 2G) önemli ölçüde yukarı düzenleyebilir. Bu sonuç, kalıcı nöronlardan ziyade geçici nöronların, çalışma belleğini gerçekleştiren farelerin performans düzeyiyle daha yakından ilişkili olduğunu, yani geçici kodlamanın sinir mekanizmasının, bilgilerin çalışma belleğinde depolanmasından daha fazla sorumlu olduğunu göstermektedir.
Şekil 2 | (A1-A5) Deneysel tasarım şeması. (A4) Geçici ve kalıcı nöronların tanımı. Kırmızı ve mavi çizgiler sırasıyla aynı nöronun farklı numune kokularına (yani Şekil 1D'deki S1 / S2 kokuları) tepki seviyesini temsil eder. (B) mPFC'nin aAIC'ye projeksiyonunu optogenetik yollarla bastırmanın şematik diyagramı. (C) mPFC'nin aAIC'ye projeksiyonunu engellemenin davranışsal etkisi. (D) mPFC'den aAIC'ye projeksiyonu inhibe etmenin farklı nöron gruplarının oranı üzerindeki etkisi. (E-G) mPFC'den aAIC'ye projeksiyonu etkinleştirmenin davranışsal ve elektrofizyolojik sonuçları, lejant (B-D) ile aynıdır.
Bu sonucu daha da doğrulamak için, araştırmacılar ikinci bir deney seti tasarladılar (Şekil 3A). Bu deneyler dizisinin temel mantığı, çalışma belleği sürecine yapay olarak farklı rahatsız edici uyaranlar eklemek ve geçici ve sürekli nöronlar arasındaki korelasyonu ve farelerin dışsal rahatsız edici uyaranlara direnme yeteneğini izlemek ve sonra hangi tür sinir olduğunu tahmin etmektir. Metagruplar, bilgilerin çalışma belleğinde saklanmasından sorumludur. Sonuçlar, fareler zayıf girişime (Şekil 3B) başarıyla direndiklerinde (Şekil 3C), geçici nöronların oranının önemli ölçüde arttığını gösterdi (Şekil 3D). Aksine, karmaşık rahatsız edici uyaranlara (Şekil 3F) etkili bir şekilde direnemezse (Şekil 3E), geçici nöronların oranı buna göre yükselmez (Şekil 3G). İki deneyde, kalıcı nöronların oranı önemli ölçüde değişmedi. Bu sonuç, geçici nöronların, beynin görevle ilgili bilgileri doğru bir şekilde depolamasını ve ardından görevleri başarıyla gerçekleştirmesini sağlamak için harici rahatsız edici uyaranlara direnmek için kullanılabileceğini göstermektedir.
Yukarıdaki iki deney grubunu birleştiren bu çalışma, kalıcı nöronlardan ziyade geçici nöronların, çalışma belleği sürecinde bilgi depolamaktan sorumlu anahtar bileşen olduğunu, yani mevcut deneysel koşullar altında beynin daha fazla eğilimli olduğunu güçlü bir şekilde göstermektedir. Bilgiyi, geçici kodlamanın nöral mekanizması aracılığıyla çalışma belleğinde saklayın.
Araştırmacı Li Chengyu rehberliğinde doktora öğrencileri Zhu Jia ve Cheng Qi tarafından tamamlanan bu çalışma, araştırmacı yardımcısı Fan Hongmei, mühendis Chen Yulei, deneyci Hou Ruiqing ve Chen Zhaoqin de önemli katkılarda bulundu. Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Üstün Gençlik Projesi, Şanghay Bilim ve Teknoloji Ana Projesi, Çin Bilimler Akademisi Stratejik Öncü Bilim ve Teknoloji Projesi, Çin Ulusal Bilim ve Teknoloji Vakfı Ana Enstrüman Geliştirme Projesi, Çin Bilimler Akademisi Anahtar Sınır Projesi, Çin Bilimler Akademisi Enstrüman ve Ekipman Projesi, Şanghay Bilim ve Teknoloji Komisyonu Anahtar Projesi ile ödüllendirilmiştir. , Çin-Hollanda Beyin Biliş Projesi ve diğer projeler.
Şekil 3 | (A) Deneysel tasarım şeması. (B) Basit yıkıcı uyaranlara sahip davranışsal bir paradigma. (C) Rahatsız edici uyaranların davranışsal performans düzeyine etkisi. (D) Rahatsız edici stimülasyonun geçici nöronların oranı üzerindeki etkisi. (E-G) Karmaşık müdahaleci uyaranların davranışsal performans ve geçici sinir oranı üzerindeki etkisi, efsane (B-D) ile aynıdır.
kaynak: Beyin Bilimi ve Akıllı Teknolojide Mükemmellik Merkezi, Çin Bilimler Akademisi (Sinirbilim Enstitüsü)
