Sincronização dinâmica entre representações do hipocampo e passos

Nature volume 617, páginas 125–131 (2023)Cite este artigo

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O hipocampo é uma estrutura cerebral de mamíferos que expressa representações espaciais1 e é crucial para a navegação2,3. A navegação, por sua vez, depende intrinsecamente da locomoção; no entanto, relatos atuais sugerem uma dissociação entre as representações espaciais do hipocampo e os detalhes dos processos locomotores. Especificamente, acredita-se que o hipocampo represente principalmente variáveis ​​cognitivas e locomotoras de ordem superior, como posição, velocidade e direção do movimento4,5,6,7, enquanto os movimentos dos membros que impulsionam o animal podem ser computados e representados principalmente em circuitos subcorticais, incluindo medula espinhal, tronco cerebral e cerebelo8,9,10,11. Ainda não se sabe se as representações do hipocampo estão realmente dissociadas da estrutura detalhada dos processos locomotores. Para resolver esta questão, monitoramos aqui simultaneamente as representações espaciais do hipocampo e os movimentos contínuos dos membros subjacentes à locomoção em escalas de tempo rápidas. Descobrimos que o ciclo de passos dos membros anteriores em ratos que se comportam livremente é rítmico e atinge o pico em torno de 8 Hz durante o movimento, correspondendo à modulação de aproximadamente 8 Hz da atividade do hipocampo e das representações espaciais durante a locomoção . Também descobrimos uma coordenação precisamente cronometrada entre o momento em que os membros anteriores tocam o solo (tempos de 'planta' do ciclo de pisada) e a representação do espaço no hipocampo. Notavelmente, os tempos das plantas coincidem com as representações do hipocampo que estão mais próximas da posição real do nariz do rato, enquanto entre esses tempos das plantas, a representação do hipocampo progride em direção a possíveis localizações futuras. Essa sincronização foi especificamente detectável quando os ratos abordaram decisões espaciais. Juntos, nossos resultados revelam uma coordenação profunda e dinâmica numa escala de tempo de dezenas de milissegundos entre representações cognitivas centrais e processos motores periféricos. Essa coordenação é ativada e desativada rapidamente em associação com demandas cognitivas e é adequada para apoiar a rápida troca de informações entre os circuitos cognitivos e sensório-motores.

À medida que os animais atravessam ambientes, as representações da população neural no hipocampo frequentemente progridem através de uma sequência de posições espaciais, incluindo locais atrás, na e à frente da posição real do animal . Essas sequências se repetem em torno de 8 Hz, concomitantemente com o ritmo teta12,19, e são amplamente consideradas como refletindo um 'mapa'20,21 do espaço de navegação disponível que informa comportamentos guiados pela memória4,6. Consistente com esta ideia, a interrupção da atividade hipocampal ou theta prejudica o desempenho em tarefas de memória espacial22,23,24, nas quais o desempenho correto envolve a locomoção para um ou mais locais lembrados. Assim, as representações do hipocampo podem informar decisões19,25 que envolvem ações locomotoras. Por outro lado, as ações locomotoras movem o animal e as representações espaciais do hipocampo mudam para a nova posição à medida que os animais se movem.

Relatos atuais postulam que os cálculos do hipocampo representam um mapa cognitivo ou opções de navegação, mas não postulam uma ligação entre o tempo dessas representações e a estrutura detalhada dos processos locomotores (como o tempo de passos individuais). Especificamente, sabe-se que o hipocampo representa variáveis ​​relacionadas à locomoção de ordem superior, incluindo posição, velocidade e direção7,26,27, enquanto os circuitos da medula espinhal, tronco cerebral e cerebelo representam e conduzem movimentos individuais dos membros8,9,10,11. No entanto, o acoplamento das representações do hipocampo aos movimentos dos membros não foi examinado, e poderia haver vantagens na sincronização da atividade entre os sistemas cerebrais para facilitar o fluxo de informações28.

Portanto, monitoramos simultaneamente a atividade neural na região CA1 do hipocampo dorsal e o ritmo de passos em ratos correndo em trilhas de comportamento transparentes. Os dados resultantes incluíram medições da frequência do ritmo teta e da atividade de pico dos neurônios do hipocampo, incluindo células de 'lugar' espacialmente seletivas, e um vídeo de alta resolução do qual extraímos os movimentos dos membros dos ratos (Fig. 1a, Dados Estendidos Figura 1 e Vídeos Suplementares 1 e 2). Nós nos concentramos em dados de ratos (n = 5) aprendendo e realizando uma tarefa de memória espacial dependente do hipocampo em uma trilha em forma de W (Fig. 1b). As trajetórias de corrida nesta tarefa podem ser classificadas em saída (rato correndo do poço central em direção ao poço externo) ou entrada (rato correndo de qualquer poço externo em direção ao poço central), e uma sequência recompensada correta corresponde a centro-esquerda-centro- direita-centro-esquerda-centro-direita e assim por diante.