Rhan 1: Mae Graddiant Dopamin yn Rheoli Mynediad i Gof Gwaith Dosbarthedig yn y Cortecs Mwnci ar Raddfa Fawr
Mar 19, 2022
Cyswllt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Sean Froudist-Walsh,1 Daniel P. Bliss,1 Xingyu Ding,1 Lucija Rapan,2 Meiqi Niu,2 Kenneth Knoblauch,3,4 Karl Zilles,2,8 Henry Kennedy,3,4,5,7 Nicola Palomero-Gallagher ,2,6,7 a Xiao-Jing Wang1,7,9,*
1Canolfan Gwyddoniaeth Niwral, Prifysgol Efrog Newydd, Efrog Newydd, NY 10003, UDA
2 Canolfan Ymchwil Julich, INM-1, Julich, yr Almaen
3 INSERM U846, Sefydliad Ymchwil Bôn-gelloedd ac Ymennydd, 69500 Bron, Ffrainc
4 Universite´ de Lyon, Universite´ Lyon I, 69003 Lyon, Ffrainc
5 Sefydliad Niwrowyddoniaeth, Labordy Niwrowyddoniaeth Allweddol y Wladwriaeth, Academi Gwyddorau Tsieineaidd (CAS), Labordy Allweddol Niwrobioleg Primad CAS, Shanghai, Tsieina
CRYNODEB
Mae angen dopamin ar gyfercof gweithio, ond ni wyddys sut mae'n modiwleiddio'r cortecs ar raddfa fawr. Yma, rydym yn adrodd bod dwysedd derbynnydd dopamin fesul niwron, wedi'i fesur gan awtoradiograffeg, yn dangos graddiant macrosgopig ynghyd â'r hierarchaeth cortigol macaque. Mae'r graddiant hwn wedi'i ymgorffori mewn model cortecs ar raddfa fawr sy'n seiliedig ar connectome gyda mathau lluosog o niwronau. Mae'r model yn dal dibyniaeth siâp U gwrthdro ocof gweithioar batrymau dopamin a gofodol o weithgarwch parhaus a arsylwyd mewn dros 90 o astudiaethau arbrofol. Ar ben hynny, rydym yn dangos bod dopamin yn hanfodol ar gyfer hidlo ysgogiadau amherthnasol trwy wella ataliad rhag interniwronau sy'n targedu dendrit. Datgelodd ein model y gellir gwireddu olion cof tawel gweithgaredd trwy hwyluso cysylltiadau rhyng-arrealaidd a bod addasu dopamin cortical yn ysgogi newid o'r cyflwr cof mewnol hwn i weithgaredd parhaus dosranedig. Mae ein gwaith yn cynrychioli dealltwriaeth draws-lefel o foleciwlau a mathau o gelloedd i ddeinameg cylched cylchol sy'n sail i swyddogaeth wybyddol graidd a ddosberthir ar draws y cortecs primatiaid.
RHAGARWEINIAD
Mae ein gallu i feddwl trwy broblemau anodd heb dynnu sylw yn nodwedd o wybyddiaeth. Wrth wynebu llif cyson o wybodaeth, rhaid inni gadw gwybodaeth benodol mewn cof a'i diogelu rhag tynnu sylw. Er enghraifft, pan fyddwch yn yr archfarchnad yn chwilio am eich hoff fenyn, mae'n bwysig cofio ei becynnu euraidd nodedig a pheidio â chael eich tynnu sylw gan y llu o gynhyrchion llaeth eraill. Gelwir y swyddogaeth ymennydd honcof gweithio. Mae cof gweithio yn aml yn cynnwys gweithgaredd niwral parhaus sy'n benodol i'r wybodaeth y mae'n rhaid ei chofio. Mae'r gweithgaredd cofrifol hwn yn cael ei gynnal yn fewnol ar draws meysydd cortigol ac isgortigol lluosog yn absenoldeb ysgogiad allanol (Funahashi et al., 1989; Fuster ac Alexander, 1971; Guo et al., 2017; Leavitt et al., 2017; Mejias a Wang, 2021; Men-doza-Halliday et al., 2014; Murray et al., 2017; Romo et al., 1999; Romo a Salinas, 2003; Vergara et al., 2016; Wang, 2001; Zhang et al., 2019; ).
Cof gweithioac mae'r cortecs rhagflaenol o dan ddylanwad modiwleiddio monoaminergig (Goldman-Rakic, 1995; Robbins ac Arnsten, 2009). Mewn gwirionedd, mae disbyddiad dopamin o'r cortecs rhagflaenol ac abladiad llwyr o'r cortecs rhagflaenol yn achosi diffygion cof gweithredol tebyg (Brozoski et al., 1979). Mae dopamin yn modiwleiddio gweithgaredd cortigol trwy ei dderbynyddion. Derbynyddion D1 yw'r math derbynnydd dopamin a fynegir fwyaf dwys yn y cortecs. Mae gweithgaredd niwronau rhagflaenol yn ystod cof gweithio yn dibynnu ar union lefelau actifadu derbynyddion D1, gyda rhy ychydig neu ormod o ysgogiad D1 yn amharu ar weithgaredd cyfnod oedi (Vijayraghavan et al., 2007; Wang et al., 2019). Fodd bynnag, dim ond ar gyfer rhannau cymharol fach o'r cortecs mwnci y gwyddys dwysedd derbynyddion D1 (Goldman-Rakic et al., 1990; Impieri et al., 2019; Lidow et al., 1991; Niu et al., 2020; Richfield et al., 1989). Oherwydd y prinder ardaloedd a ddadansoddwyd ar draws astudiaethau, nid yw'n glir a yw'r amrywiad mewn dwyseddau derbynyddion D1 ar draws ardaloedd cortigol yn cynrychioli heterogenedd ar hap neu raddiant systematig o fodiwleiddio dopamin cortigol.
Mae derbynyddion dopamin hefyd yn cael eu mynegi'n wahanol ar draws gwahanol fathau o niwronau ataliol (Mueller et al., 2018, 2020). Mae mathau o gelloedd ataliol unigryw yn canolbwyntio'n bennaf ar y dendrites neu somata celloedd pyramidaidd neu ar niwronau ataliol eraill (Jiang et al., 2015; Tremblay et al., 2016). Trwy ei effeithiau gwahanol ar ryng-niwronau gwahanol, mae dopamin yn lleihau ataliad i somata celloedd pyramidaidd ac yn cynyddu ataliad i'r dendrites (Gao et al., 2003). Cynigiodd astudiaeth ddamcaniaethol gynnar y gallai ataliad a dargedwyd yn gryfach tuag at y dendritau ac i ffwrdd o somata celloedd pyramidaidd gynyddu ymwrthedd cof gweithio i wrthdyniad (Wang et al., 2004a). Nid yw arwyddocâd swyddogaethol effeithiau gwahaniaethol dopamin ar fathau arbennig o niwronau ataliol wedi'i ymchwilio eto.
Yn y gwaith hwn, aethom i'r afael â dau gwestiwn agored. Yn gyntaf, sut mae modylu dopamin yn cael ei ddosbarthucof gweithioar draws system cortical aml-ranbarthol ar raddfa fawr? Yn ail, yng ngoleuni'r pwyslais ar fathau o gelloedd mewn ffisioleg cortigol fodern, a yw dopamin yn cyfrannu at gof gweithio cadarn yn erbyn gwrthdynwyr yn rhinwedd effeithiau gwahaniaethol ar wahanol ddosbarthiadau niwronau? Er mwyn mynd i’r afael â’r cwestiynau hyn, gwnaethom fapio’n feintiol ar ddwysedd derbynyddion dopamin D1 ar draws 109 o ardaloedd cortigol gan ddefnyddio awtoradiograffeg in vitro ac adeiladu model cyfrifiannol ar raddfa fawr o’r cortecs macac sy’n gallu cyflawni tasgau cof gweithredol. Mae'r model wedi'i adeiladu gan ddefnyddio data cysylltedd olrhain llwybr ôl-radd ac mae'n ymgorffori graddiannau derbynyddion D1 a synapsau cynhyrfus. Ar ben hynny, hyd y gwyddom, dyma'r model cortecs graddfa fawr cyntaf sy'n cynnwys tri is-fath o niwronau ataliol. Mae ein canlyniadau'n awgrymu y gall tanio niwronau dopamin ymgysylltu â gweithgaredd parhaus sy'n gwrthsefyll gwrthdynwyr, sy'n ddewisol i symbyliad ar draws rhanbarthau lluosog yr ymennydd mewn ymateb i ysgogiadau sy'n berthnasol i ymddygiad. Ymhellach, rydym yn ymestyn, o ardal leol i'r cortecs aml-ranbarthol, fecanwaith tawel gweithgaredd a gynigiwyd ar gyfer rhai mathau o olrhain cof tymor byr heb weithgaredd parhaus (Mongillo et al., 2008; Rose et al., 2016; Wolff et al., 2017). Canfuom fod y senario hwn yn dibynnu'n bennaf ar hwyluso cysylltiadau rhyng-arwynebol yn y tymor byr ond nid yw'n gwrthsefyll gwrthdynwyr. Gall modiwleiddio dopamin gwell drosi olion cof mewnol i gyflwr gweithgaredd parhaus gweithredol sydd ei angen i hidlo gwrthdyniadau. Felly, mae ein canfyddiadau'n cyfrannu at ddatrys y ddadl bresennol am y ddau senario gwrthgyferbyniol sy'n cyfrannu atcof gweithio(Constantinidis et al., 2018; Lundqvist et al., 2018; Wa-Tanabe a Funahashi, 2014) ac o dan ba amodau y gweithredir pob mecanwaith (Barbosa et al., 2020; Masse et al., 2019; Trbutalschek et al. , 2019).
CANLYNIADAU
Graddiant hierarchaidd o dderbynyddion dopamin D1 fesul niwron ar draws cortecs y mwnci
Yn gyntaf, fe wnaethom ddadansoddi patrymau dosbarthu derbynyddion D1 a D2 ledled yr ymennydd macac gan ddefnyddio awtoradiograffeg derbynnydd in vitro (Ffigur S1). Mae awtoradiograffeg yn galluogi meintioli derbynyddion mewndarddol yn y gellbilen trwy ddefnyddio ligandau ymbelydrol (Niu et al., 2020; Palomero-Gallagher a Zilles, 2018; Rapan et al., 2021). Canfuwyd y dwyseddau uchaf (mewn protein fmol / mg) o'r ddau fath o dderbynnydd yn y ganglia gwaelodol, gyda'r cnewyllyn caudate (D1, 298 ± 28; D2, 188 ± 30) a putamen (D1, 273 ± 40; D2, 203 ±37) yn cyflwyno gwerthoedd sylweddol uwch nag israniadau mewnol (D1, 97±34; D2, 22± 12) neu allanol (D1, 55±16; D2, 30±11) y globus pallidus. Roedd dwyseddau derbynnydd D1 cortigol amrwd yn amrywio o brotein 49± 13 fmol/mg yn ardal 4a o'r cortecs modur cynradd i 101 ± 35 fmol/mg o brotein yn ardal orbitofrontal 11l (Ffigur 1A).
Mae dwysedd y derbynnydd D2 yn y cortecs mor isel fel na ellir ei ganfod gyda'r dull a ddefnyddir yma.
I gymharu graddiant derbynyddion D1 â graddiannau hysbys eraill o drefniadaeth anatomegol yn y cortecs mwnci, fe wnaethom fapio'n ofalus y data derbynyddion (Ffigur 1A) yn ogystal â data ar ddwysedd niwronau (Ffigur 1B; Collins et al., 2010) a chyfrif asgwrn cefn (Ffigur 1C; Elston, 2007) ar dempled cortigol cyffredin Yerkes19, y mae data olrhain llwybr anatomegol (Ffigur 1D, i) wedi’i fapio iddo eisoes (Donahue et al., 2016). Yma rydym yn cynnwys data olrhain ôl-radd o 40 rhanbarth, wedi'i feintioli gan ddefnyddio'r un protocol ag mewn cyhoeddiadau blaenorol (Markov et al., 2014b). Mae hyn yn ehangu nifer yr ardaloedd cortigol wedi'u chwistrellu 33 y cant, gyda chysylltiadau ag ardaloedd 1, 3, V6, F4, F3, 25, 32, 9, 45A, ac OPRO (cortecs proiso orbital) bellach wedi'u cynnwys yn y gronfa ddata (gellir ei lawrlwytho o'r craidd -nets.org). Fe wnaethom amcangyfrif yr hierarchaeth cortigol gan ddefnyddio data cysylltedd laminaidd (Ffigur 1D, ii; Dulliau STAR; Markov et al., 2014a), gan ehangu disgrifiadau blaenorol o'r hierarchaeth cortigol yn seiliedig ar lai o ranbarthau (Markov et al., 2014a; Mejias et al., 2016). Mae'n debyg bod hierarchaeth un dimensiwn yn orsymleiddio'r strwythur cysylltedd cortigol. Oherwydd bod gennym ni ddata cysylltedd ar gyfer dau ddull synhwyraidd gwahanol, fe wnaethom hefyd gyfrifo mewnosodiad cylchol o'r data cysylltedd, gyda phellter rheiddiol o'r ymyl yn cynrychioli'r safle hierarchaidd a'r pellter onglog rhwng pwyntiau sy'n cynrychioli gwrthdro cryfder eu cysylltedd (Chaudhuri et al., 2015). Yn y cynrychioliad cylchol hwn, mae hierarchaethau gweledol a somatosensory ar wahân yn amlwg yn cael eu gwerthfawrogi, gyda rhanbarthau cysylltiad yn disgyn ar onglau oddi ar echelinau prif hierarchaeth synhwyraidd (Ffigur 1E).
Er mwyn hwyluso dehongliad swyddogaethol, rhannwyd dwysedd derbynnydd D1 â dwysedd niwronau (Collins et al., 2 0 10) i ganiatáu amcangyfrif i ba raddau y mae dopamin yn modiwleiddio niwronau unigol ar draws y cortecs. Cyrhaeddodd dwysedd derbynnydd D1 fesul niwron uchafbwynt yn y cortecs parietal a blaen ac roedd yn gymharol isel yn y cortecs synhwyraidd cynnar (Ffigur 1F). Roedd cydberthynas gadarnhaol gref rhwng dwysedd derbynnydd D1 fesul niwron a'r hierarchaeth cortical (Ffigur 1G; r=0.81). Oherwydd awto-gydberthynas gofodol rhwng nodweddion cortigol (hy, mae rhannau cyfagos o'r cortecs yn dueddol o fod ag anatomeg debyg), mae'n bosibl canfod cydberthnasau annilys rhwng nodweddion penodol anatomeg yr ymennydd. I gyfrif am hyn, cynhyrchwyd 10,000 o fapiau dirprwyol gydag awto-gydberthynas ofodol tebyg i'r map hierarchaeth (Burt et al., 2020). Nid oedd yr un o'r mapiau dirprwyol hyn yn cydberthyn mor gryf â map dwysedd derbynyddion D1 â'r hierarchaeth, gan roi gwerth-p o lai na 0.0001 ar gyfer cydberthynas hierarchaeth derbynnydd-d1 D1. Nid oedd unrhyw berthynas arwyddocaol rhwng mynegiant derbynnydd D1 ac a oedd gan ardal cortigol haen gronynnog IV (Wilcoxon Rank-sum Z=0.39, p=0.70) neu i'r radd o Dexternopyramidalization (Kruskal - Wallis c2=1.47, p= 0.48; Goulas et al., 2018; Sanides, 1962; Ffigur S2). Mae'r patrwm hwn o fynegiant derbynyddion yn awgrymu bod dopamin yn bennaf yn modiwleiddio meysydd sy'n cyfrannu at brosesu gwybyddol uwch.
Yna fe wnaethom adeiladu model ar raddfa fawr o'r cortecs macaque. Fe wnaethom osod y gylched leol ym mhob un o'r 40 ardal cortigol (Ffigur 2A, ar y dde). Roedd priodweddau'r cylchedau lleol hyn yn amrywio ar draws ardaloedd ar ffurf graddiannau macrosgopig (Wang, 2020) o gysylltedd pellter hir (wedi'i osod gan ddata olrhain), cryfder cyffro (a osodwyd gan gyfrif asgwrn cefn), a modiwleiddio gan dderbynyddion D1 (set gan ddata awtoradiograffeg y derbynnydd). Diffiniwyd y cysylltiadau rhwng ardaloedd gan ddefnyddio'r data olrhain llwybr ôl-radd meintiol. Yn y model, mae cysylltiadau rhyng-arrealaidd yn gyffrous ac yn targedu dendritau celloedd pyramidaidd (Petreanu et al., 2009). Mae cysylltiadau cynhyrfus rhyng-arrealaidd hefyd yn targedu celloedd calretinin (CR) / peptid coluddol fasoweithredol (VIP) i raddau mwy na chelloedd parvalbumin (PV) neu calbindin (CB) / somatostatin (SST) (Lee et al., 2013; Wall et al. ., 2016). Mae gan y meysydd llygaid blaen (FEF) ddwysedd anarferol o uchel o gelloedd CR (yma CR/VIP) (Pouget et al., 2009). I gyfrif am hyn, cynyddwyd cyfran y mewnbwn rhyng-arrealaidd i gelloedd CR/VIP yn FEF a lleihau cryfder y mewnbwn i gelloedd PV a CB/SST.
Perthynas U wrthdro rhwng ysgogiad derbynnydd D1 cortigol a gweithgaredd cof gweithio gwasgaredig
Fe wnaethon ni efelychu'r model cortigol ar raddfa fawr yn ystod perfformiad acof gweithiotasg (Ffigur 2C) gyda lefelau gwahanol o argaeledd dopamin cortigol. Mewn efelychiadau, ysgogiad-ddewisolMae cysylltedd rhyng-arrealaidd yn pennu patrwm gweithgaredd cof gweithio dosbarthedig.Nesaf, gwnaethom gymharu patrwm gweithgarwch cyfnodau oedi yn y model â gweithgarwch cyfnod oedi a welwyd mewn dros 90 o astudiaethau electroffisioleg (Leavitt et al., 2017). Dewisasom baramedrau model a fyddai'n cynhyrchu gweithgaredd parhaus yn y cortecs rhagflaenol, ond ni wnaethom ffitio'r model i'r data arbrofol. O'r 19 maes cortigol lle aseswyd gweithgaredd o'r fath yn ystod y cyfnod oedi mewn o leiaf tair astudiaeth arbrofol, roedd 18 yn cytuno rhwng yr efelychiad a chanlyniadau'r arbrawf (c2=15:03; p=0: 0001 Ffigur 3A). At ei gilydd, atgynhyrchir y gweithgaredd parhaus a welwyd yn arbrofol o astudiaethau niferus, gan ddilysu'r model. Mae hyn yn ein galluogi i archwilio'r priodweddau anatomegol sy'n sail i'r patrwm gweithgaredd gwasgaredig a chael cipolwg ar fecanweithiau'r ymennydd a all ei gynhyrchu.
Fe wnaethom ailadrodd efelychiadau model ar ôl newid y data anatomegol. Cymharwyd patrymau gweithgaredd y cyfnod oedi ar gyfer 30,000 o efelychiadau yn seiliedig ar yr anatomeg wedi'i symud â'r patrwm a arsylwyd yn arbrofol. Cafodd deng mil o efelychiadau eu rhedeg gan ddefnyddio cysylltiadau rhyng-arrealaidd wedi'u symud, mynegiant derbynnydd D1 wedi'i newid, a mynegiant asgwrn cefn dendritig wedi'i newid ar wahân. Roedd y gorgyffwrdd rhwng y patrwm gweithgaredd parhaus arbrofol a'r model patrwm gweithgaredd parhaus yn dibynnu'n gryf ar y cysylltiadau rhyng-arrealaidd (p=0.0004) ond nid ar batrwm derbynyddion D1 (p=0.71 ) neu gyfrif asgwrn cefn dendritig (p=0.46) (Ffigur 3B). Mae'r dadansoddiad hwn yn awgrymu bod yr ymylon rhwng nodau yn y rhwydwaith (hy, y cysylltiadau rhyng-arwynebol) yn bwysig ar gyfer diffinio patrwm gofodol gweithgaredd cyfnodau oedi. Nesaf, gofynnwyd sut mae'r nodau eu hunain (hy, ardaloedd cortigol unigol) yn cyfrannu'n wahaniaethol at gof gweithio gwasgaredig.
Mae diffygion cof gweithio yn fwyaf difrifol yn dilyn briwiau i ardaloedd rhagflaenol gyda dwysedd derbynyddion D1 uchel
Nesaf fe wnaethom feintioli i ba raddau yr oedd briwiau ffocal i feysydd unigol yn y model yn tarfu ar weithgaredd parhaus yn ystod y dasg cof gweithio (heb wrthdyniadau). Roedd yr effaith yn dibynnu ar yr ardal briwiau a lefel y dopamin cortigol (Ffigur 3C). briwiau i ardaloedd parietal rhagflaenol ac ôl a achosodd y gostyngiadau mwyaf yng nghyfraddau tanio cyfnod oedi (Ffigur 3D, E). Achosodd briwiau i ardaloedd blaen leihad sylweddol fwy yng nghyfraddau tanio cyfnod oedi na briwiau i ardaloedd parietal (Mann- Whitney U=46.0, p=0.027). Gwnaethom brofi effeithiau briwiau cynyddol fwy ar y cortecs blaen a pharietal. Er mwyn cynyddu maint y briwiau, ar gyfer pob llabed, fe wnaethom ni boeni yn gyntaf yr ardal a achosodd y gostyngiad mwyaf mewn gweithgaredd oedi wrth friwio'n unigol ac yna hefyd friwio'r ardal a achosodd y gostyngiad ail-fwyaf ac yn y blaen (anaf blaen 1: 46d, briw 2: 46d ynghyd â 8B, briw 3: 46d ynghyd ag 8B ynghyd ag 8 m, ac ati; briw parietal 1: LIP, briw 2: LIP plws 7m, briw 3: LIP plws 7 m plws 7B., ac ati). Wrth friwio dau ranbarth blaen, cafodd gweithgaredd y cyfnod oedi mnemonig ei ddinistrio'n llwyr ledled y cortecs, felly nid oedd y rhwydwaith bellach yn gallu cyflawni'r dasg. Mewn cyferbyniad, achosodd briwiau cynyddol fwy o'r cortecs parietal ostyngiad graddol yn unig yn y gweithgaredd oedi blaenoparietal, a hyd yn oed pan dynnwyd y cortecs parietal cyfan (10 ardal), roedd digon o weithgaredd cyfnod oedi mnemonig gweddilliol yn parhau i ganiatáu datgodio'r ysgogiad ciw ( Ffigur 3F).
Yn dilyn hynny, aethom i'r afael â gallu'r model i gynnal gweithgaredd cyfnod oedi penodol ciw ym mhresenoldeb gwrthdynwyr ar ôl briwiau manwl gywir ym mhob ardal cortigol. Fe wnaethom ddadansoddi treialon ar draws pob lefel o argaeledd dopamin cortigol. Achosodd briwiau i dri maes rhagflaenol (8m, 46d, ac 8B), ond nid ardaloedd eraill, amhariad llwyr ar weithgarwch cof gweithio a oedd yn gwrthsefyll gwrthdynwyr ym mhob treial. Namau i lawer o feysydd eraillachosi gostyngiad llwyr mewn gweithgaredd cof gweithio sy'n gwrthsefyll gwrthdynwyr ar gyfer rhai treialon (sy'n cyfateb i ystod benodol o dopamin) ond nid eraill. Roedd y saith briwiau a achosodd yr amhariad mwyaf ar berfformiad cof gweithio yn y cortecs blaen (chwe man blaen ac ardal premotor F7; Ffigur 3G). Roedd y gostyngiad mewn perfformiad yn sylweddol uwch ar gyfer briwiau i ardaloedd cortigol blaen nag ardaloedd parietal (Mann- Whitney U=48.5, p=0.032). Mae ein hefelychiadau yn awgrymu felly y gall (1) briwiau i'r cortecs parietal rhagflaenol ac ôl achosi amhariad sylweddol ar weithgaredd y cyfnod oedi, (2) mae briwiau blaen yn cael mwy o effaith ar ymddygiad na briwiau parietal, a (3) briwiau llai, yn enwedig i y cortecs rhagflaenol, yn gallu amharu'n sylweddol ar berfformiad ar dasgau cof gweithio mwy anodd, fel y rhai sy'n tynnu sylw. Mewn cyferbyniad, mae angen briwiau mwy i amharu ar berfformiad ar dasgau cof gweithio syml.
