Das Verhalten platzspezifischer hippokampaler CA1-Pyramidenzellen und deren Modulation im Schlaf nach Exposition zu einer neuen Umgebung

Abstract

Der Hippokampus ist wichtiger Bestandteil zur Bildung des deklarativen Langzeitgedächtnisses und insbesondere zur Bildung des räumlichen Gedächtnisses [47]. Platzzellen sind Pyramidenzellen im Hippokampus der Ratte, welche die Position des Tieres im Raum kodieren [60]. Ihre Entdeckung hat das Verständnis für das Gedächtnis und die Gedächtnisbildung entschieden voran gebracht. Diese Arbeit untersucht, wie hippokampale CA1-Pyramidenzellen zu Platzzellen werden, wenn eine Ratte eine bisher unbekannte Umgebung erkundet. Bei sechs Lister hooded-Ratten wurden Tetroden in die CA1-Schicht des Hippokampus implantiert. Nach der Operation wurden diese Versuchstiere mindestens eine Woche lang so trainiert, dass sie für eine Belohnung Zuckerwasser Runden auf einem ringförmigen Versuchstisch rennen. Sobald die Tiere mit dem Versuchsablauf und der Umgebung (F=familiär) vertraut waren, wurde ihnen gestattet, einen zweiten ringförmigen Versuchstisch (N=neu) zu erkunden. Dieser konnte über eine Brücke erreicht werden. Extrazelluläre Ableitungen wurden während der Expositionen zu F und N sowie dazwischen, während zu erwartender Schlafphasen in einer Box aufgezeichnet. Während der ersten Erkundung in N entwickelten einige Zellen bereits in der ersten Umrundung ein stabiles Platzfeld, andere jedoch erst nach einigen Runden. Es wurden zwei bedeutende Veränderungen im Aktivitätsmuster der CA1-Pyramidenzellen beobachtet, die sich beide nach mehreren Expositionen zu N ausglichen: so stieg die Anzahl der abgeleiteten Komplexzellen, „Complex Spike“ Zellen (CSC), an, während die Anzahl der CSC mit einem klaren Platzfeld in N im Vergleich zu Versuchsabschnitten in F abnahm. Die Einführung einer neuen Umgebung hatte auch Auswirkungen auf die Platzzelleigenschaften in der bekannten Umgebung. Außerdem hatte nur ein kleiner Anteil (34 %) der CSC mit einem Platzfeld in F auch ein Platzfeld in N. Jedoch hatte ein weitaus größerer Anteil (52 %) der CSC mit einem Platzfeld in N auch ein Platzfeld in F. Diese neuen Ergebnisse legen nahe, dass die zuvor inaktiven Platzzellen beim Eintritt in eine neue Umgebung aktiviert werden. Außerdem wird deutlich, dass weniger Zellen diese neue Umgebung repräsentieren als die bekannte Umgebung. Von denjenigen Zellen, die ein klares Platzfeld haben, hat auch ein großer Anteil ein Platzfeld in einer bekannten Umgebung. Die Veränderungen beeinflussen die neuronale Repräsentation der bereits bekannten Umgebung. Bei den weiteren Expositionen stabilisiert sich die Platzzellaktivität in N und erreicht Werte die statistisch mit denen von F vergleichbar sind.

The hippocampus plays an important role in the formation of long-term declarative memories [47], in particular spatial memory. The discovery in the rodent hippocampus of place cells, pyramidal cells that encode the animal's spatial location [60], provided a way to understand the role of the hippocampus in memory and its formation. Here we study how rat hippocampal CA1 pyramidal cells become place cells as the animal explores a novel environment. Six male Lister hooded rats were implanted with 8 tetrodes each targeting the CA1 layer. After surgery the animals were trained to run laps in a ring-shaped maze for a water reward for at least a week. Once rats were familiar with this environment – the familiar environment F - they were also allowed to explore a different ring-shaped maze located in a different environment – the novel environment N. Data was collected while rats run in the F and N environments and during putative sleep episodes in between maze sessions. During the first exploration of the N some cells developed a stable spatial bias (field) within the first lap around the maze while others required several laps before establishing a field. Upon quantification, two main changes were detected in the pattern of activity of CA1 pyramidal cells, both of which resumed and reached levels similar to those in the F upon successive exposures: the number of recorded complex spike cells (CSC) increased and, in contrast, the number of CSC with fields (location coding) in the N decreased. As for interactions between the familiar and novel environments, the changes that took place upon exposure the novel environment often carried over to the next exposure to the F. Finally, only a small fraction (34%) of CSC with fields in the F encoded also for space in the N, whereas a higher percentage (52%) of CSC with a field in the N had also a field in the F. The results suggest that upon entering a new environment cells that were previously inactive become active but, at the same time, less of these cells encode location than in a familiar environment. Of those that do, a big proportion also encodes location in the familiar environment. The changes spill over to the next exposure to the F. Over successive exposures the activity of cells stabilizes and reaches statistics similar to those found in the F before exposure to the N.