Werkgeheugen hangt af van wederzijdse interacties in de hersenen

Overzicht: Onderzoekers demonstreren hoe het visuele werkgeheugen wordt onderhouden in onderling verbonden hersengebieden bij muizen.

Bron: Sainsbury Wellcome Center

Hoe onthouden de hersenen een telefoonnummer voordat ze bellen? Werkgeheugen is een essentieel onderdeel van cognitie, waardoor de hersenen informatie tijdelijk kunnen onthouden en gebruiken om toekomstig gedrag te sturen.

Hoewel veel eerdere onderzoeken de betrokkenheid van verschillende hersengebieden hebben aangetoond, bleef het tot nu toe onduidelijk hoe deze meerdere regio’s op elkaar inwerken om het werkgeheugen te vertegenwoordigen en te behouden.

In een nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in Natuuronderzochten neurowetenschappers van het Sainsbury Wellcome Center aan de UCL de wederzijdse interacties tussen twee hersengebieden die het visuele werkgeheugen bij muizen vertegenwoordigen.

Het team ontdekte dat de communicatie tussen deze twee loci van het werkgeheugen, de pariëtale cortex en de premotorische cortex, mede afhankelijk was van onmiddellijke tijdschalen.

“Er zijn veel verschillende soorten werkgeheugen en de afgelopen 40 jaar hebben wetenschappers geprobeerd uit te zoeken hoe deze in de hersenen worden weergegeven.

“Met name het sensorische werkgeheugen was een uitdaging om te bestuderen, omdat tijdens standaard laboratoriumtaken veel andere processen tegelijkertijd plaatsvinden, zoals timing, motorische voorbereiding en beloningsverwachting”, zegt Dr. Ivan Voitov, Research Fellow in het Mrsic-Flogel-lab en eerste auteur op papier.

Om deze uitdaging te overwinnen, vergeleken de SWC-onderzoekers een werkgeheugenafhankelijke taak met een eenvoudigere werkgeheugenonafhankelijke taak. In de werkgeheugentaak kregen muizen een sensorische stimulus gevolgd door een vertraging en moesten ze vervolgens de volgende stimulus afstemmen op degene die ze vóór de vertraging zagen.

Dit betekende dat de muizen tijdens de vertraging een weergave in hun werkgeheugen nodig hadden van de eerste stimulus om te slagen in de taak en een beloning te ontvangen. In de werkgeheugenonafhankelijke taak daarentegen, was de beslissing die de muizen namen over de secundaire stimulus niet gerelateerd aan de eerste stimulus.

Door deze twee taken met elkaar te vergelijken, konden de onderzoekers het deel van de neurale activiteit observeren dat afhankelijk was van het werkgeheugen, in tegenstelling tot de natuurlijke activiteit die alleen verband hield met de taakomgeving.

Ze ontdekten dat de meeste neurale activiteit niet gerelateerd was aan het werkgeheugen, en in plaats daarvan waren werkgeheugenrepresentaties ingebed in ‘hoogdimensionale’ activiteitsmodi, wat betekent dat slechts kleine fluctuaties rond het gemiddelde vuren van individuele cellen samen de werkgeheugeninformatie droegen.

Om te begrijpen hoe deze representaties in de hersenen worden gehandhaafd, gebruikten de neurowetenschappers een techniek genaamd optogenetica om delen van de hersenen selectief tot zwijgen te brengen tijdens de vertragingsperiode en observeerden ze de verstoring van wat de muizen zich herinnerden.

Interessant genoeg ontdekten ze dat het tot zwijgen brengen van werkgeheugenrepresentaties in een van de pariëtale of premotorische corticale gebieden leidde tot vergelijkbare tekorten in het vermogen van de muizen om de vorige stimulus te onthouden, wat impliceert dat deze representaties tijdens de vertraging onmiddellijk co-afhankelijk van elkaar waren.

Om deze hypothese te testen, verstoorden de onderzoekers een gebied terwijl ze de activiteit registreerden die door het andere gebied naar het gebied werd teruggekoppeld. Toen ze de pariëtale cortex verstoorden, was de activiteit die werd gecommuniceerd door de premotorische cortex naar de pariëtale cortex grotendeels onveranderd in termen van gemiddelde activiteit.

Ze ontdekten dat de meeste neurale activiteit niet gerelateerd was aan het werkgeheugen, en in plaats daarvan waren werkgeheugenrepresentaties ingebed in ‘hoogdimensionale’ activiteitsmodi, wat betekent dat slechts kleine fluctuaties rond het gemiddelde vuren van individuele cellen samen de werkgeheugeninformatie droegen. Afbeelding is in het publieke domein

De representatie van de werkgeheugenactiviteit was echter specifiek verstoord. Dit was ook het geval in het omgekeerde experiment, toen ze de premotorische cortex verstoorden en naar de pariëtale cortex keken en ook werkgeheugen-specifieke verstoring van corticaal-corticale communicatie observeerden.

“Door langeafstandscircuits in de hersenschors op te nemen en te manipuleren, hebben we ontdekt dat het werkgeheugen zich bevindt in co-afhankelijke activiteitspatronen in corticale gebieden die onderling verbonden zijn, waardoor het werkgeheugen behouden blijft door middel van onmiddellijke wederzijdse communicatie,” zei professor Tom Mrsic-Flogel , directeur van het Sainsbury Wellcome Center en co-auteur van de krant.

De volgende stap voor de onderzoekers is om te zoeken naar activiteitenpatronen die tussen deze gebieden worden gedeeld. Ze zijn ook van plan om meer geavanceerde werkgeheugentaken te bestuderen die de specifieke informatie moduleren die in het werkgeheugen wordt opgeslagen, naast de kracht ervan.

Hiervoor zullen de neurowetenschappers interleaved afleiders gebruiken die sensorische informatie bevatten die een vooroordeel geeft over wat de muis denkt dat het volgende doelwit is. Dergelijke experimenten zullen hen in staat stellen een meer genuanceerd begrip van werkgeheugenrepresentaties te ontwikkelen.

Financiering: Dit onderzoek werd gefinancierd door de Wellcome Trust, de Gatsby Charitable Foundation en de Universiteit van Basel.

Zie ook

Dit toont het hoofd van een vrouw

Over dit geheugenonderzoeksnieuws

Auteur: April Cashin-Garbutt
Bron: Sainsbury Wellcome Center
Contact: April Cashin-Garbutt – Sainsbury Wellcome Center
Afbeelding: De afbeelding is in het publieke domein

Originele onderzoek: Vrije toegang.
“Corticale feedbacklussen binden gedistribueerde representaties van werkgeheugen” door Ivan Voitov et al. Natuur


Abstract

Corticale feedbackloops binden gedistribueerde representaties van werkgeheugen

Werkgeheugen – het vermogen van de hersenen om informatie te internaliseren en flexibel te gebruiken om gedrag te sturen – is een essentieel onderdeel van cognitie. Hoewel activiteit gerelateerd aan werkgeheugen is waargenomen in verschillende hersengebieden, blijft onduidelijk hoe neurale populaties het werkgeheugen vertegenwoordigen en de mechanismen waarmee deze activiteit wordt onderhouden.

Hier beschrijven we de neurale implementatie van visueel werkgeheugen bij muizen, afwisselend tussen een vertraagde niet-match-to-sample-taak en een eenvoudige discriminatietaak die geen werkgeheugen vereist, maar identieke stimulus-, bewegings- en beloningsstatistieken heeft.

Voorbijgaande optogenetische inactivaties onthulden dat gedistribueerde gebieden van de neocortex selectief nodig waren voor het onderhoud van het werkgeheugen. De populatieactiviteit in het visuele gebied AM en het premotorische gebied M2 tijdens de vertragingsperiode werd gedomineerd door een geordende laagdimensionale dynamiek die echter onafhankelijk was van het werkgeheugen.

In plaats daarvan waren werkgeheugenrepresentaties ingebed in hoog-dimensionale populatieactiviteit, aanwezig in beide corticale gebieden, aanhoudend gedurende de interstimulusvertragingsperiode en voorspelde gedragsreacties tijdens de werkgeheugentaak.

Om te testen of de gedistribueerde aard van het werkgeheugen afhankelijk was van wederzijdse interacties tussen corticale regio’s, hebben we één corticale gebied (AM of M2) tot zwijgen gebracht terwijl we de feedback die het van de andere ontving, optekenden.

Voorbijgaande inactivatie van beide gebieden leidde tot de selectieve verstoring van de communicatie tussen de gebieden van het werkgeheugen. Daarom behouden wederkerig onderling verbonden corticale gebieden gebonden hoogdimensionale representaties van werkgeheugen.

Leave a Comment