La corteccia entorinale dirige l’apprendimento

Sep 10, 2023

Natura volume 611, pagine 554–562 (2022)Citare questo articolo

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Si ritiene che i cambiamenti nell'attività cerebrale legati all'apprendimento siano alla base dei comportamenti adattivi1,2. Ad esempio, l'apprendimento di un sito di ricompensa da parte dei roditori richiede lo sviluppo di una sovrarappresentazione di tale posizione nell'ippocampo3,4,5,6. Il modo in cui avviene questo cambiamento legato all’apprendimento rimane sconosciuto. Qui abbiamo registrato l'attività della popolazione CA1 dell'ippocampo mentre i topi imparavano la posizione della ricompensa su un tapis roulant lineare. Prove fisiologiche e farmacologiche suggeriscono che la sovrarappresentazione adattiva richiede plasticità sinaptica comportamentale su scala temporale (BTSP)7. È noto che BTSP è guidato da segnali di tensione dendritica che abbiamo proposto siano stati avviati dall'input dallo strato 3 della corteccia entorinale (EC3). Di conseguenza, la sovrarappresentazione di CA1 è stata in gran parte rimossa dall'inibizione optogenetica dell'attività di EC3. Le registrazioni dei neuroni EC3 hanno rivelato un modello di attività che potrebbe fornire un segnale istruttivo che indirizza BTSP a generare la sovrarappresentazione. Coerentemente con questa funzione, le nostre osservazioni mostrano che l’esposizione a un secondo ambiente che possiede un importante segnale predittivo della ricompensa ha portato sia all’attività EC3 che alla densità del campo CA1 che erano più elevati al segnale che alla ricompensa. Questi dati indicano che i cambiamenti legati all'apprendimento nell'ippocampo sono prodotti dalla plasticità sinaptica diretta da un segnale istruttivo proveniente dall'EC3 che sembra essere specificamente adattato alle caratteristiche comportamentali rilevanti dell'ambiente.

È stato scoperto che l'esperienza comportamentale degli animali modella l'attività della popolazione nell'ippocampo e questa attività neuronale dipendente dall'esperienza è necessaria per apprendere le posizioni premiate3,4,5,6. Si ritiene comunemente che tali cambiamenti neuronali legati all'apprendimento siano mediati dalla plasticità sinaptica, generalmente di tipo Hebbiano8,9,10. Per esaminare direttamente i processi fisiologici mediante i quali l'esperienza altera l'attività della popolazione ippocampale, abbiamo utilizzato l'imaging Ca2 + a due fotoni per registrare l'attività dei neuroni piramidali CA1 dorsali che esprimono GCaMP6f11 in topi con la testa fissa impegnati in un compito di apprendimento spaziale (Fig. 1a). Il compito consisteva in due fasi. I topi sono stati prima abituati al tapis roulant lineare utilizzando una cintura vuota di 180 cm di lunghezza, con la posizione della ricompensa (soluzione di saccarosio al 10%) che variava da un giro all'altro (Fig. 1b-k). Il giorno 0 (l'ultimo giorno di questa fase di assuefazione), la velocità di leccata degli animali e la velocità di corsa erano uniformi in tutto l'ambiente (Fig. 1b-f) e le cellule CA1 posizionavano uniformemente lo spazio (Fig. 1g, h). Nella seconda fase, la ricompensa veniva consegnata in un unico luogo fisso e la traccia conteneva diversi segnali sensoriali distribuiti uniformemente nello spazio (giorno 1: prima esposizione al luogo fisso della ricompensa; Fig. 1b-l). Durante questa sessione, gli animali hanno gradualmente limitato la loro leccatura alla parte dell'ambiente attorno alla ricompensa (Fig. 1b-d) e contemporaneamente hanno rallentato la loro velocità di corsa quando si avvicinavano al sito di consegna della ricompensa (Fig. 1e,f). Parallelamente a questi cambiamenti comportamentali, abbiamo osservato un aumento del numero totale di cellule di luogo CA1, con la densità delle cellule di luogo vicino al sito di ricompensa elevata di oltre il doppio3,4,6 (Fig. 1g-i). Sono stati migliorati anche il contenuto delle informazioni spaziali (Fig. 1j) e l'affidabilità giro dopo giro (Fig. 1k) dei singoli campi di posizionamento. Infine, la correlazione dei vettori della popolazione cellulare del luogo era significativamente inferiore se confrontata tra giorni e giorni (Fig. 1k). Insieme, questi risultati indicano che l'apprendimento della posizione della ricompensa il giorno 1 è associato ad un'alterazione nella rappresentazione CA1 che include una densità di cellule posizionate fortemente elevata vicino alla ricompensa, la cui presenza è significativamente correlata con le basse velocità di corsa misurate intorno alla ricompensa. posizione premiata (Fig. 1l). Questa cosiddetta sovrarappresentazione della ricompensa è simile agli adattamenti dell'attività CA1 precedentemente ritenuti necessari per l'apprendimento con successo della posizione della ricompensa5.