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May 13, 2023

Nature 617권, 548~554페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

내측 전전두엽 피질 내 활동 패턴의 변화를 통해 설치류, 인간이 아닌 영장류 및 인간은 인지 작업 중 환경 변화에 적응하기 위해 행동을 업데이트할 수 있습니다1,2,3,4,5. 내측 전두엽 피질의 파발부민 발현 억제 뉴런은 규칙 전환 작업 동안 새로운 전략을 학습하는 데 중요하지만 전두엽 네트워크 역학을 작업 관련 활동 패턴 유지에서 업데이트로 전환하는 회로 상호 작용은 아직 알려지지 않았습니다. 여기에서는 파발부민 발현 뉴런, 새로운 뇌량 억제 연결 및 작업 표현의 변화를 연결하는 메커니즘을 설명합니다. 모든 뇌량 투영을 비특이적으로 억제하면 쥐가 규칙 변화를 학습하는 것을 막거나 활동 패턴의 진화가 방해받지 않는 반면, 파발부민 발현 뉴런의 뇌량 투영만 선택적으로 억제하면 규칙 전환 학습이 손상되고 학습에 필요한 감마 주파수 활동이 비동기화됩니다. 일반적으로 규칙 변화 학습에 수반되는 전두엽 활동 패턴의 재구성을 억제합니다. 이러한 해리는 뇌량 파발부민 발현 투영이 감마 동시성을 전송하고 이전에 확립된 신경 표상을 유지하기 위해 다른 뇌량 입력의 능력을 제어함으로써 전두엽 회로의 작동 모드를 유지 관리에서 업데이트로 전환하는 방법을 보여줍니다. 따라서 파발부민 발현 뉴런에서 유래한 뇌량 예측은 정신분열증 및 관련 질환9,10에 연루된 행동 유연성 및 감마 동시성의 결함을 이해하고 교정하기 위한 핵심 회로 궤적을 나타냅니다.

유기체는 환경 변화에 적응하기 위해 행동 전략을 지속적으로 업데이트해야 합니다. 시대에 뒤떨어진 전략을 부적절하게 고집하는 것은 정신분열증, 양극성 장애와 같은 질환의 특징이며 위스콘신 카드 분류 작업(WCST)에서 고전적으로 나타납니다. 전전두엽 피질은 규칙 또는 목표 표현의 적극적인 유지 관리12,13,14, 이러한 표현의 적응형 게이팅15 및 다른 표현과의 광범위한 상호 연결을 통한 감각 처리의 하향식 편향을 제공함으로써 이러한 유연한 인지 제어를 담당한다는 것이 잘 문서화되어 있습니다. 뇌 영역16,17. 연구에 따르면 내측 전전두엽 피질(mPFC) 내에서 정상적인 파브알부민 발현(PV) 개재뉴런 기능이 쥐가 '규칙 전환' 작업을 수행하는 데 필요하며, 이는 WCST와 유사하게 단서가 없는 규칙 변경을 식별하고 새로운 학습을 포함하는 것으로 나타났습니다. 이전에는 시험 결과와 관련이 없었던 단서를 사용하는 규칙입니다6,7. 더욱이, PV 개재뉴런은 감마 주파수(약 40Hz) 범위18,19에서 동기화된 리듬 활동을 생성하는 데 중요한 역할을 합니다. 실제로 규칙 전환 작업 중에 왼쪽과 오른쪽 mPFC의 PV 개재뉴런 사이의 감마 주파수 활동의 동기화는 오류 시도(즉, 쥐가 이전에 학습한 규칙이 시대에 뒤떨어졌다는 피드백을 받을 때) 후에 증가하고 광유전학적으로 이 동기화를 방해합니다. 인내를 유발한다8. 그럼에도 불구하고 회로(시냅스 연결), 네트워크 역학(반구 간 감마 동기화) 및 신경 표현(작업에 따른 활동 패턴의 변화) 간의 기본 관계는 아직 알려지지 않았습니다.

감마 동시성은 일반적으로 피질에서 장거리 통신의 주된 형태인 흥분성 시냅스에 의해 여러 영역으로 전달되는 것으로 가정됩니다. 그러나 우리는 mPFC21의 PV 뉴런에서 발생하는 장거리 γ-아미노부티르산 방출(GABAergic) 연결에 대한 최근 설명에서 제안된 대체 가설을 탐색했습니다. 구체적으로, 우리는 mPFC의 PV 발현 뉴런이 반대편 mPFC에서 뇌량 GABA 성 시냅스를 생성한다는 것을 처음으로 입증했습니다 (그림 1). 우리는 AAV-EF1α-DIO-ChR2-eYFP를 PV-cre 마우스의 하나의 mPFC에 주입하여 이 해부학적 연결을 확인하고 반대쪽 PFC, 특히 깊은 층 5와 6에서 바이러스로 표지된 PV 터미널을 관찰했습니다(그림 1a). 이 뇌량 PV 투영과 그 수용 뉴런을 특성화하기 위해 반대쪽 mPFC에서 녹음을 수행했습니다 (그림 1b). 우리는 캘로살 PV 투영이 피라미드 뉴런(형태 및 비빠른 스파이킹 생리학에 기초하여 식별됨, 75개 중 31개가 연결됨)에 신경을 분포시키지만 빠르게 스파이킹하는 뉴런(18개 중 0개 연결)에는 신경을 분포시키지 않음을 발견했습니다(그림 1d). PV 말단 광유전학적 자극의 리듬 열차는 ChR2 음성 피라미드 뉴런에서 시간 고정 억제 시냅스 후 전위(IPSP)를 유도했으며(그림 1e), 이는 글루타메이트 수용체 길항제인 6-시아노-7-니트로퀴녹살린-2,3에 의해 차단되지 않았습니다. -디온 이나트륨 염(CNQX)(10μM) 및 d-2-아미노-5-포스포노펜탄산(APV)(50μM)은 유형 A γ-아미노부티르산(GABAA) 수용체 길항제를 목욕 적용하여 완전히 제거되었습니다. 가바진 (10 μM; 그림 1e, f). 캘로살 mPFC PV 시냅스의 특정 표적을 추가로 특성화하기 위해 우리는 형광 염료 결합 콜레라 독소 소단위 B(CTb)를 mPFC의 4개 하류 표적에 주입한 다음 반대측 mPFC(즉, 반대측)에 투사되는 역행 표지된 mPFC 뉴런에서 기록했습니다. 녹음이 수행된 위치와 AAV-DIO-ChR2 주입과 동측), 등쪽 선조체, 중등쪽(MD) 시상 또는 측격핵(NAc)(확장 데이터 그림 1b-k). 글루타메이트 길항제(20μM 6,7-디니트로퀴녹살린-2,3-디온(DNQX) 및 50μM APV)가 있는 상태에서 캘로살 PV+ 말단을 광유전적으로 활성화하기 위한 단일 5ms 광 펄스 후, 우리는 시간 고정 IPSP를 관찰했습니다. MD 돌출 피라미드 뉴런 22개 중 22개, 뇌량 방향 돌출 피라미드 뉴런 18개 중 0개, 측좌 돌출 피라미드 뉴런 21개 중 0개, 등쪽 선조체 돌출 피라미드 뉴런 24개 중 7개와 비교됩니다.