Long-range inhibition synchronizes and updates prefrontal task activity

전두엽 피질 내 활동 패턴의 변화는 행동 적응을 촉진하는 것으로 추정됩니다. 그러나 mPFC를 이전에 학습된 표현과 전략을 유지하는 것에서 업데이트하는 것으로 전환하는 신경 메커니즘은 알려지지 않았습니다. 이전 연구에서는 PV 뉴런과 장거리 감마 동기화의 관여를 제안했습니다. 여기서 우리는 전전면 PV 뉴런의 새로운 굳은살 투영을 특성화하고, 이 특정 시냅스가 특정 대상(즉, MD-프로젝션 피라미드형 뉴런) 및 네트워크 역학(감마 진동)은 새로운 활동 패턴(오류 시험에 따른 인구 활동 벡터)을 형성하고 행동을 안내하는 회로 상호 작용(발색성 통신)을 조절합니다. 이 메커니즘의 세 가지 측면은 특히 주목할 만합니다.

첫번째로, 신피질 GABAergic 뉴런이 생리학적으로 의미 있는 시냅스 후 반응을 유도할 수 있는 장거리 연결을 일으킨다는 사실이 최근에서야 인식되었으며 이러한 장거리 GABAergic 투영의 행동 기능은 잘 이해되지 않습니다. 여기서 우리는 mPFC에서 PV+ 뉴런의 칼로살 GABAergic 투영이 이전에 규칙 이동 학습에 필요한 것으로 나타난 반구 간 감마 동기화를 촉진한다는 것을 보여줍니다. 이것은 반구간 리듬 활동을 동기화하는 장거리 GABAergic 투영의 가정된 역할을 직접 지원하며, PV 내부 뉴런의 흥분 시냅스가 장거리에 걸쳐 감마 진동을 동기화한다고 제안한 해마 조각의 초기 발견과 대조됩니다. 한 가지 한계는 우리가 이러한 증가를 동기화시키는 PV 내부 뉴런의 수를 직접 추론할 수 없다는 것입니다. 왜냐하면 그것들은 형광의 대량 측정을 기반으로 하기 때문입니다. 그러나 이러한 동기화 측정값은 약 50% 증가하므로 셀의 작은 부분만으로 구동될 가능성은 낮습니다. 많은 장거리 GABAergic 투영이 주로 다운스트림 GABAergic 뉴런을 대상으로 하는 반면, 굳은살 PV+ 투영은 5층 및 6층 피라미드 뉴런의 많은 부분을 유지합니다. 게다가, 굳은살 PV+ 시냅스는 이전에 국부적인 PV 내부 뉴런 시냅스에서 관찰된 것과 동일한 하위 유형 특이성을 가지고 있어, 굳은살 모양으로 돌출된 피라미드 뉴런보다 타마로 돌출된 것을 우선적으로 억제합니다. 우리가 이전에 MD 시상에 대한 이 mPFC 출력 경로가 행동 유연성에 필수적이라는 것을 발견했다는 점을 고려할 때 이 특수성은 특히 주목할 만합니다.

두번째로, 이 작업에서 감마 동기화는 가장 기본적인 형태의 ‘coherence를 통한 통신’ 메커니즘을 통해 작용하는 것으로 보이지 않습니다. 일관성 메커니즘을 통한 통신은 두 영역이 일관된 방식으로 동기화될 때 향상된 효과적인 연결의 이점을 얻을 수 있음을 제안합니다. 그러나 이 경우, 활동 패턴이 적절하게 진화하고 모든 굳은살 투영을 명시적으로 금지할 때 학습이 방해받지 않기 때문에 두 반구 사이의 연결은 규칙 이동 학습에 실제로 필요하지 않습니다. 대조적으로 PV+ 굳은살 투영이 선택적으로 억제되어 흥분성 굳은살 통신을 절약하면 마우스는 끈기 있게 되고 이전에 학습된 표현은 부적절하게 유지됩니다. 이 시나리오에서 두 반구 사이의 흥분성 통신은 온전하지만 감마 동기화는 손실됩니다(그림 3g). 우리는 이전에 광학적으로 교란하는 감마 동기화(반구에 걸친 위상 외 자극 사용)가 규칙 이동 학습을 방해한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 정상적인 행동을 위해서는 지역 간 통신이 필요하지 않지만 감마 동기화가 손실되면 지역 간 통신이 정상적인 학습을 방해하는 비정상적인 방식으로 발생합니다. 이것은 감마 주기 동안 높은 수준의 억제가 점진적으로 감소하여 흥분성 뉴런 발화에 상응하는 변화를 일으키기 때문에 발생할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 리듬 억제는 주기적으로 네트워크 활동을 재설정합니다. 이 재설정은 반복 연결 패턴 내에 저장된 이전에 설정된 것과 다른 새로운 표현의 출현을 허용할 수 있습니다. 대조적으로, 대뇌 피질의 흥분 입력이 PV 주도 억제에 의해 적절하게 동기화되지 않을 때, 그것은 조기에 도착하여 이전에 학습된 표현을 부적절하게 강화하여 정상적인 학습을 방해할 수 있습니다. 적절한 시기의 칼로살 억제는 또한 이전에 학습된 연관성을 유지하는 특정 신경 집단(예: mPFC-MD 투영 뉴런)에 대한 칼로살 및 반복 자극의 영향을 균형 있게 조정할 수 있습니다.

세 번째 놀라운 특징은 callosal PV+ 투영을 억제하면 감마 동기화, 신경 표현 및 규칙 이동 성능이 지속적으로 변경된다는 것입니다. 또한, 동일한 투영을 자극하면 이러한 행동 장애를 되돌릴 수 있습니다. 이것은 두 뇌 영역 사이의 연결을 일시적으로 방해하는 새로운 형태의 네트워크 가소성을 나타내며, 이는 동기화, 정보 처리 및 행동에 기여하는 능력의 지속적인 결함으로 이어집니다. 특히, 인지적 유연성과 부족한 작업 유발 감마 동기화로 특징지어지는 결과 네트워크 상태는 정신 분열증의 주요 인지 및 회로 내 증상 유형을 포착합니다. 여러 측면에서, 이 해로운 네트워크 가소성은 일시적으로 감마 동기화를 강화(광유전자 자극을 사용하여)하는 것이 돌연변이(Dlx5 및 Dlx6) 마우스의 규칙 이동 학습을 지속적으로 구조할 수 있다는 이전의 발견의 역을 나타냅니다. 우리의 새로운 연구 결과는 감마 동기화의 과도적 변조로 인한 전방 회로 가소성이 양방향이며, 이전에는 정상적인 마우스에서도 발생하며, 이전에는 인식되지 않았던 장거리 GABAergic 투영에 의해 촉발될 수 있음을 보여줍니다. 이러한 가소성이 callosal PV+ 투영, callosal로 투영된 PV+ 뉴런 및/또는 추가 회로 요소의 변화에 어떻게 의존하는지 탐구하는 것이 중요할 것입니다. 또한 향후 연구는 여기서 사용되는 것과 다른 행동 패러다임(예: 자동 레버 누름 작업)을 사용하여 굳은살 PV+ 투영(및 잠재적 가소성)의 역할을 탐구할 수 있습니다.

요약하면, 우리의 결과는 새로운 연결이 이전에 확립된 활동 패턴을 유지하기 위해 굳은살 통신 기능을 게이트함으로써 전두엽 피질이 어떻게 행동 전략을 유지하는 것에서 업데이트하는 것으로 전환되는지 보여줍니다. 게다가, 이 연결은 새로운 양방향 형태의 네트워크 가소성을 유발할 수 있습니다. 따라서, 전두엽 PV 뉴런에서 유래한 굳은살 연결은 정신 분열증의 주요 특징인 감마 동기화 및 행동 유연성의 결함을 이해하고 잠재적으로 수정하기 위한 중요한 회로 궤적을 나타냅니다.