Sincronizzazione dinamica tra rappresentazioni dell'ippocampo e passo

Natura volume 617, pagine 125–131 (2023) Citare questo articolo

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L'ippocampo è una struttura cerebrale dei mammiferi che esprime rappresentazioni spaziali1 ed è fondamentale per la navigazione2,3. La navigazione, a sua volta, dipende in modo complesso dalla locomozione; tuttavia, i resoconti attuali suggeriscono una dissociazione tra le rappresentazioni spaziali dell'ippocampo e i dettagli dei processi locomotori. Nello specifico, si ritiene che l'ippocampo rappresenti principalmente variabili cognitive e locomotorie di ordine superiore come posizione, velocità e direzione del movimento4,5,6,7, mentre i movimenti degli arti che spingono l'animale possono essere calcolati e rappresentati principalmente nei circuiti sottocorticali, compreso il midollo spinale, il tronco cerebrale e il cervelletto8,9,10,11. Resta sconosciuto se le rappresentazioni dell'ippocampo siano effettivamente disaccoppiate dalla struttura dettagliata dei processi locomotori. Per rispondere a questa domanda, qui abbiamo monitorato simultaneamente le rappresentazioni spaziali dell'ippocampo e i movimenti degli arti in corso alla base della locomozione in tempi rapidi. Abbiamo scoperto che il ciclo di passi degli arti anteriori nei ratti che si comportano liberamente è ritmico e raggiunge il picco a circa 8 Hz durante il movimento, corrispondente alla modulazione di circa 8 Hz dell'attività dell'ippocampo e delle rappresentazioni spaziali durante la locomozione12. Abbiamo anche scoperto una coordinazione temporale precisa tra il momento in cui gli arti anteriori toccano il suolo (tempi "pianta" del ciclo del passo) e la rappresentazione dello spazio nell'ippocampo. In particolare, i tempi di pianta coincidono con le rappresentazioni dell'ippocampo più vicine alla posizione effettiva del naso del ratto, mentre tra questi tempi di pianta, la rappresentazione dell'ippocampo progredisce verso possibili posizioni future. Questa sincronizzazione era specificamente rilevabile quando i ratti si avvicinavano alle decisioni spaziali. Insieme, i nostri risultati rivelano una coordinazione profonda e dinamica su una scala temporale di decine di millisecondi tra rappresentazioni cognitive centrali e processi motori periferici. Questa coordinazione si impegna e si disimpegna rapidamente in associazione con le richieste cognitive ed è particolarmente adatta a supportare un rapido scambio di informazioni tra i circuiti cognitivi e sensomotori.

Mentre gli animali attraversano gli ambienti, le rappresentazioni della popolazione neurale nell'ippocampo spesso progrediscono attraverso una sequenza di posizioni spaziali, comprese posizioni dietro, sopra e davanti alla posizione effettiva dell'animale13,14,15,16,17,18. Queste sequenze si ripetono a circa 8 Hz, in concomitanza con il ritmo theta12,19, e si ritiene che riflettano una "mappa"20,21 dello spazio di navigazione disponibile che informa i comportamenti guidati dalla memoria4,6. Coerentemente con questa idea, l'interruzione dell'attività dell'ippocampo o theta compromette le prestazioni nei compiti di memoria spaziale22,23,24, in cui la prestazione corretta implica la locomozione verso una o più posizioni ricordate. Pertanto, le rappresentazioni dell'ippocampo possono informare le decisioni19,25 che coinvolgono azioni locomotorie. Al contrario, le azioni locomotorie muovono l'animale e le rappresentazioni spaziali dell'ippocampo si spostano nella nuova posizione mentre gli animali si muovono.

Le teorie attuali presuppongono che i calcoli dell'ippocampo rappresentino una mappa cognitiva o opzioni di navigazione, ma non postulano un collegamento tra la tempistica di queste rappresentazioni e la struttura dettagliata dei processi locomotori (come la tempistica dei singoli passi). Nello specifico, è noto che l'ippocampo rappresenta variabili di ordine superiore relative alla locomozione, tra cui posizione, velocità e direzione7,26,27, mentre i circuiti del midollo spinale, del tronco cerebrale e del cervelletto rappresentano e guidano i movimenti dei singoli arti8,9,10,11. Tuttavia, l'accoppiamento delle rappresentazioni dell'ippocampo con i movimenti degli arti non è stato esaminato e potrebbero esserci vantaggi nel sincronizzare l'attività tra i sistemi cerebrali per facilitare il flusso di informazioni28.

Abbiamo quindi monitorato simultaneamente l'attività neurale nella regione CA1 dorsale dell'ippocampo e il ritmo dei passi nei ratti che correvano su binari comportamentali trasparenti. I dati risultanti includevano misurazioni della frequenza del ritmo theta e dell'attività dei neuroni dell'ippocampo, comprese le cellule "luogo" spazialmente selettive, e un video sottotraccia ad alta risoluzione da cui abbiamo estratto i movimenti degli arti dei ratti (Fig. 1a, Dati estesi Fig. 1 e video supplementari 1 e 2). Ci concentriamo sui dati dei ratti (n = 5) che apprendono ed eseguono un compito di memoria spaziale dipendente dall'ippocampo su una traccia a forma di W29,30 (Fig. 1b). Le traiettorie di corsa in questo compito possono essere classificate in in uscita (ratto che corre dal pozzo centrale verso uno dei pozzi esterni) o in entrata (ratto che corre da uno dei pozzi esterni verso il pozzo centrale) e una sequenza premiata corretta corrisponde a centro-sinistra-centro- destra-centro-sinistra-centro-destra e così via.