Regulation of locomotion by hippocampal theta oscillations revealed by optogenetic entrainment

Abstract

Hippocampal theta oscillations (5-10 Hz, Jung and Kornmüller, 1938) occur during exploration and REM sleep (Buzsáki, 2002). The medial septum is an essential theta rhythm generator (Petsche et al., 1962) and forwards ascending inputs to the hippocampus (Bland and Oddie, 2001). Among the neuronal populations within the medial septum GABAergic neurons exhibits theta rhythmic burst firing (Hangya et al., 2009) and have been suggested to rhythmically disinhibit hippocampal pyramidal cells via innervation of hippocampal interneurons (Freund and Antal, 1988). During locomotion the frequency of theta oscillations is correlated with running speed (Vanderwolf, 1969). However, whether hippocampal theta oscillations regulate locomotor speed remained a long-standing question (Vanderwolf, 1969; Grastyan et al., 1959), as electrical stimulation of ascending hippocampal afferent regions inevitably involves unspecific activation of brain circuitry involved in locomotor control (Green and Arduini, 1954). Only since recently distinct brain pathways can be manipulated with high spatial and temporal precision using optogenetics (Yizhar et al., 2011b). In this study, we achieved entrainment of hippocampal theta oscillations by rhythmic optogenetic stimulation of medial septal GABAergic cell terminals in the hippocampus. When the frequency of theta oscillations was optogenetically controlled, it was no longer correlated with running speed. Hence, as indicated by earlier lesion and pharmacological studies (reviewed in Bland and Oddie, 2001), the association of theta frequency with running speed is mediated by ascending afferents. We next found that the entrainment of hippocampal theta oscillations, regardless of stimulation frequency within the theta range (6-12 Hz), mediated slower and more regular running speed. The optogenetic entrainment promoted a lower variability of theta amplitude. A correlation between theta amplitude variability and running speed was observed for optogenetically entrained as well as for spontaneous theta oscillations. Further analysis of the data (Bender et al., 2015) indicated that lower amplitude variability is associated with a more stable output of pyramidal cells across theta cycles. Moreover, we revealed that the behavioural effect disappeared when the main hippocampal subcortical output, to the lateral septum (LS, Risold and Swanson, 1996), was inhibited: pharmaco- or optogenetic inhibition of this pathway prevented the decrease in speed or speed variability during entrainment of hippocampal theta oscillations. The LS is also innervated by the medial prefrontal cortex (mPFC, Carus-Cadavieco et al., 2017), which guides goal-directed behaviour (Miller and Cohen, 2001). Cognitive processes are linked to gamma oscillations (30-90 Hz, Cardin et al., 2009, Kim et al., 2016), which allow binding of sensory, e.g. visual, informations into complex representations (Singer and Gray, 1995). We found that optogenetic stimulation of the mPFC to LS pathway at gamma frequencies did not influence running speed, but improved performance in a spatial food-rewarded learning task. In conclusion, our findings suggest that hippocampal theta oscillations can regulate locomotor speed via the LS and gamma oscillations within the mPFC to LS pathway support spatial goal- directed behaviour.

Hippocampale Theta-Oszillationen (5-10 Hz, Jung und Kornmüller, 1938) treten während Fortbewegung und REM-Schlaf auf (Buzsáki, 2002). Das mediale Septum ist ein wichtiger Taktgeber des Theta-Rhythmus (Petsche et al., 1962) und leitet Signale aus subkortikalen Gehirnregionen an den Hippocampus weiter (Bland und Oddie, 2001). Innerhalb der Zellpopulationen des medialen Septums weisen GABAerge Neurone theta-rhythmische Aktivität auf (Hangya et al., 2009) und es wird angenommen, dass sie hippocampale Pyramidenzellen über Innervation von hippocampalen Interneuronen disinhibieren (Freund und Antal, 1988). Die Frequenz von Theta-Oszillationen korreliert mit Bewegungsgeschwindigkeit (Vanderwolf, 1969). Ob jedoch hippocampale Theta-Oszillationen die Bewegungsgeschwindigkeit regulieren blieb eine lange bestehende Frage (Vanderwolf, 1969; Grastyan et al., 1959), da elektrische Stimulation von subkortikalen Gehirnregionen zwar hippocampale Theta-Oszillationen erzeugen kann, aber unweigerlich auch eine unspezifische Aktivierung von Motorregionen mit sich führt (Green und Arduini, 1954). Erst seit kurzem können spezifische neuronale Signalwege mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung mittels optogenetischer Methoden zielgerichtet manipuliert werden (Yizhar et al., 2011b). In dieser Studie erreichten wir Taktgebung von hippocampalen Theta- Oszillationen über optogenetische Stimulation von hippocampalen Axonterminalen der GABAergen Zellen des medialen Septums. Wenn die Frequenz der Theta- Oszillationen auf diese Weise durch die Stimulation bestimmt wurde, war sie nicht mehr mit der Bewegungsgeschwindigkeit korreliert. Dies deutet, in Übereinstimmung mit früheren Läsions- und pharmakologischen Studien (Bland und Oddie, 2001), darauf hin, dass subkortikale Regionen die hippocampale Frequenz der Theta-Oszillationen entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit laufend aktualisieren. Wir fanden weiter heraus, dass sich bei gleichbleibender Taktgebung der optogenetischen Stimulation im Frequenzbereich der Theta- Oszillationen die Bewegungsgeschwindigkeit verlangsamte. Die Taktgebung bedingte eine geringere Variabilität der Amplitude der Theta-Oszillationen. Eine Korrelation zwischen der Variabilität der Amplitude der Theta- Oszillationen und Bewegungsgeschwindigkeit wurde während Taktgebung und bei spontan auftretenden Theta-Oszillationen detektiert. Weitere Analyse der Daten (Bender et al., 2015) ergab, dass die Amplitudenvariabilität mit der Aktivitätsvariabilität einzelner hippocampaler Neurone assoziiert ist. Die Geschwindigkeitsregulation durch den Hippocampus fand nur statt, wenn das laterale Septum, die subkortikale Hauptausgangsstation des Hippocampus (Risold und Swanson, 1996), nicht inhibiert wurde: bei pharmako- oder optogenetischer Inhibition dieses Signalweges führte die Taktgebung des Theta-Rhythmus nicht zu einer langsameren oder gleichmäßigeren Bewegungsgeschwindigkeit. Das laterale Septum wird auch vom medialen prefrontalen Kortex (mPFC) innerviert (Carus-Cadavieco et al., 2017), welcher zielgerichtetes Verhalten steuert (Miller und Cohen, 2001). Kognitive Prozesse werden mit Gamma-Oszillationen (30-90 Hz, Cardin et al., 2009, Kim et al., 2016) assoziiert, welche sensorische, z.B. visuelle, Informationen zeitlich binden und somit komplexe Repräsentationen ermöglichen (Singer und Gray, 1995). Wir haben herausgefunden, dass optogenetische Stimulation des Signalweges vom mPFC zum lateralen Septum im Frequenzbereich der Gamma-Oszillationen die Bewegungsgeschwindigkeit nicht beeinflusst, und stattdessen die Leistung bei einer räumlichen Lernaufgabe mit Futterbelohnung verbessert. Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass über das laterale Septum hippocampale Theta-Oszillationen die Bewegungsgeschwindigkeit regulieren und Gamma-Oszillationen des mPFC Signalweges zum lateralen Septum zielgerichtetes Verhalten im Raum unterstützen können.