Новости

Jul 03, 2023

Дыхание организует гамма-синхронию в префронтальной зоне.

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 8529 (2023) Цитировать эту статью 1439 Доступов 20 Подробности об альтметрических метриках С появлением гаммы связаны многочисленные когнитивные операции.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8529 (2023) Цитировать эту статью

1439 Доступов

20 Альтметрика

Подробности о метриках

Множественные когнитивные операции связаны с возникновением гамма-колебаний в медиальной префронтальной коре (мПФК), хотя о механизмах, контролирующих этот ритм, известно мало. Используя записи локального потенциала поля у кошек, мы показываем, что периодические всплески гамма-излучения повторяются с регулярностью 1 Гц в мПФК после бодрствования и привязаны к фазе выдоха дыхательного цикла. Дыхание организует дальнюю когерентность в гамма-диапазоне между mPFC и ядром воссоединения таламуса (Reu), связывающим префронтальную кору и гиппокамп. Внутриклеточные записи таламуса мышей in vivo показывают, что время дыхания распространяется за счет синаптической активности Reu и, вероятно, лежит в основе возникновения гамма-всплесков в префронтальной коре. Наши результаты подчеркивают, что дыхание является важным субстратом для синхронизации нейронов на большие расстояния в префронтальном контуре, ключевой сети когнитивных операций.

Префронтальная кора (ПФК) представляет собой анатомический центр, который объединяет входные сигналы от разнообразного набора корковых и подкорковых структур1. Большая часть продукции ПФК является реципрокной1, за исключением афферентов гиппокампа2,3, для которых не обнаружено прямых проекций префронтальной обратной связи. Ядро воссоединения (Reu), срединная структура таламуса, обеспечивает важнейшую связь между ПФК и гиппокампом, образуя функциональную сеть, которая опосредует множество когнитивных операций4,5,6. Точная межрегиональная синхронизация в этой сети важна для процессов памяти и во многом обеспечивается колебаниями, возникающими в разных состояниях сознания7,8,9.

Гамма-ритм (30–80 Гц), который преобладает в возбужденном мозге10, играет важную роль в нормальной физиологии11 и патофизиологии12 префронтальной сети. Его последовательно связывают с функциями более высокого уровня, такими как сознание13, внимание14 и память15,16, что указывает на его фундаментальную роль в функциях префронтальной коры11,17. Способность гамма организовывать корковую активность тесно связана с его циклом длительностью 25 мс, который обеспечивает оптимальное окно для совместной активации множества нейронов в рамках последовательных циклов, способствуя формированию локальных нейрональных агрегатов18,19.

Недавно было накоплено доказательство того, что дыхание является мощным модулятором активности коры и гиппокампа20,21,22,23,24. В коре головного мозга грызунов21,25,26 и кошек27 дыхание модулирует амплитуду гамма-излучения и вызывает связанный с дыханием кортикальный ритм (RR), который имеет тенденцию быть более выраженным в лобных областях20,21,28. Как дыхание организует гамма-синхронию в префронтальной сети, неизвестно. Было показано, что Reu обеспечивает дальнюю гамма-синхронность между PFC и гиппокампом29 и, по-видимому, необходим для возникновения медленных потенциалов в PFC30, которые, вероятно, связаны с дыханием31,32. Таким образом, мы предположили, что дыхательные сигналы, передаваемые через Реу, организуют гамма-синхронию в префронтальной сети. Учитывая резкие изменения в возбудимости нейронов и появление различных мозговых ритмов в разных состояниях бдительности, мы также предположили, что связь дыхания и гамма-излучения модулируется состоянием мозга.

Чтобы изучить динамику гамма-синхронии в префронтальной сети, мы записали потенциалы локального поля (LFP) из глубоких слоев mPFC кошки, средней линии таламуса и вентрального гиппокампа в конфигурации с фиксированной головой (дополнительные рисунки S1a и S1b). Животные циклически проходили периоды спокойного бодрствования, медленного движения глаз (NREM) и сна с быстрым движением глаз (REM) в течение 2–4 часов (дополнительные рисунки S1c и S1d). Кроме того, мы выполнили in vivo внутриклеточные записи средней линии таламуса и префронтальной коры у анестезированных мышей (рис. 4 и дополнительный рисунок S4a).