Neuronal activity patterns during oscillatory events underlying the consolidation of hippocampus dependent memories
Profils d'activité neurale lors d'événements oscillatoires soutendant la consolidation des souvenirs dépendant de l'hippocampe
Résumé
Long term storage of episodic memories requires memory formation during awake experience as well as memory consolidation, a process strengthening the memory taking place during sleep. The rapid encoding of memory traces takes place in the hippocampus during awake behaviour. In sleep, hippocampal memory traces are `replayed' during sharp wave-ripples -- brief (50-150 ms) high-frequency oscillatory patterns of high synchronous activity. The synchronous bursting of hippocampal neurons during ripples makes them a key player in systems memory consolidation -- the process of communicating memories to the neocortex for long-term storage.Cortical activity in sleep is dominated by the slow oscillation -- the synchronous alternation of cortical neurons between a depolarised (UP) state associated with high levels of endogenous activity, and a brief (~200 ms) hyperpolarized (DOWN) state when neurons remain silent. DOWN states are accompanied by large deflections of the local field potential -- delta waves, while UP states bring elevated activity and thalamocortical spindles, both of which can drive synaptic plasticity. Systems memory consolidation is thought to involve the coordination between hippocampal and cortical rhythms -- notably, hippocampal ripples precede (~130 ms) cortical delta waves, which are then followed by thalamocortical spindles.To test if this temporal coupling drives memory consolidation, we triggered cortical delta waves following ripples to enhance the co-occurrence of coupled ripple-delta events. This boosted memory consolidation and rat performance on a spatial memory task, and resulted in a reorganisation of prefrontal cortical networks following induced delta waves as well as increased prefrontal responsivity to the task on the next day. Crucially, these enhancements were not observed when a small delay (160-240 ms) was introduced in addition to the endogenous coupling, indicating the stabilization of memory traces requires a very fine-tuned interaction between ripples and delta waves.How can the 'interruption' of cortical activity by generalised periods of silence during delta waves underlie memory consolidation when it occurs precisely between information transfer (hippocampal replay) and network plasticity (UP state)? Contrary to a generally accepted tenet, we found that delta waves are not periods of complete silence, and that the residual activity is not mere neuronal noise. Instead, cortical cells fired `delta spikes' during delta waves in response to transient reactivation of hippocampal ensembles during ripples, and this occurred selectively during endogenous or induced memory consolidation. This suggests a new role for delta waves -- namely, that the synchronised silence of the large majority of cells isolates the network from competing inputs, while a select subpopulation of neurons remain active in response to hippocampal replay, bridging information between UP states and coordinating memory consolidation.
Le stockage à long terme des souvenirs épisodiques requiert la formation de la mémoire pendant l'expérience d'éveil ainsi que la consolidation de la mémoire, un processus de renforcement de la mémoire qui a lieu pendant le sommeil. L'encodage rapide des traces mnésiques a lieu dans l'hippocampe pendant l'éveil. Pendant le sommeil, les traces mnésiques de l'hippocampe sont « rejouées » pendant les ondulations -- de brefs motifs oscillatoires hippocampiques (50-150 ms) à haute fréquence associés à une activité synchrone élevée. Les bouffées d'activité synchrone des neurones de l'hippocampe pendant les ondulations font d'eux des acteurs clés dans la consolidation de la mémoire des systèmes -- le processus de communication des mémoires vers le néocortex pour un stockage à long terme.L'activité corticale dans le sommeil est dominée par l'oscillation lente -- l'alternance synchrone des neurones corticaux entre un état dépolarisé (état HAUT) associé à des niveaux élevés d'activité endogène, et un état bref (~200ms) hyperpolarisé (état BAS) lorsque les neurones restent silencieux. Les états BAS sont accompagnés de grandes déviations du potentiel de champ local -- ondes delta, tandis que les états HAUTS sont associés à une activité élevée et des fuseaux thalamocorticaux, deux processus pouvant entraîner une plasticité synaptique. On pense que la consolidation de la mémoire des systèmes implique une coordination entre les rythmes hippocampiques et corticaux -- notamment, les ondulations hippocampiques précèdent (~130ms) les ondes delta corticales, qui sont ensuite suivies par des fuseaux thalamocorticaux.Pour vérifier si ce couplage temporel entraîne une consolidation de la mémoire, nous avons déclenché des ondes delta corticales suite à des ondulations hippocampiques afin d'améliorer la cooccurrence d'événements ondulation-delta couplés. Cela a augmenté la consolidation de la mémoire et la performance du rat sur une tâche de mémoire spatiale, et a entraîné une réorganisation des réseaux corticaux préfrontaux suite à des ondes delta induites ainsi qu'une réponse accrue du cortex préfrontal à la tâche le lendemain. De manière cruciale, ces améliorations n'ont pas été observées lorsqu'un retard (160-240 ms) a été introduit en plus du couplage endogène, indiquant que la stabilisation des traces mnésiques nécessite une interaction très fine entre les ondulations et les ondes delta.Comment l'interruption de l'activité corticale par des périodes de silence généralisées pendant les ondes delta peut-elle sous-tendre la consolidation de la mémoire lorsqu'elle se produit précisément entre le transfert d'informations (réactivation hippocampique) et la plasticité du réseau (état HAUT) ? Contrairement à un principe généralement accepté, nous avons constaté que les ondes delta ne sont pas des périodes de silence complet, et que l'activité résiduelle n'est pas un simple bruit neuronal. Au lieu de cela, nous avons montré que les cellules corticales émettent des « delta spikes » pendant les ondes delta en réponse à la réactivation transitoire d'ensembles hippocampiques pendant les ondulations, et que cela se produit sélectivement pendant la consolidation endogène ou induite de la mémoire. Ces résultats suggèrent un nouveau rôle pour les ondes delta, à savoir que le silence synchronisé de la grande majorité des cellules isole le réseau des entrées concurrentes, tandis qu'une sous-population sélectionnée de neurones reste active en réponse aux réactivations de l'hippocampe, faisant le pont entre les états HAUTs et coordonnant la consolidation de la mémoire.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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