Reaktivierung von Hippocampus-vermittelten Erinnerungen während der Rekonsolidierung, um die Angst zu zerstören, Teil 1

Erinnerungen werden im Gehirn gespeichert, indem zelluläre Ensembles beim Lernen aktiviert und beim Abrufen reaktiviert werden. Mithilfe des Tet-Tag-Systems bei Mäusen markieren wir Neuronen des dorsalen Gyrus dentatus, die durch positive, neutrale oder negative Erfahrungen mit Channelrhodopsin aktiviert wurden-2.

Zellgruppen sind die Grundeinheiten verschiedener Organe im menschlichen Körper und zudem äußerst kollaborative und komplexe biologische Systeme. Zellgruppen spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung.

Das Gedächtnis wird in Kurzzeitgedächtnis und Langzeitgedächtnis unterteilt. Unterschiedliche Arten von Erinnerungen erfordern zum Speichern und Verarbeiten unterschiedliche Zellgruppen. Das Kurzzeitgedächtnis wird hauptsächlich in Nervenzellen auf der Oberfläche der Großhirnrinde gespeichert. Im Gegensatz dazu erfordert das Langzeitgedächtnis eine kontinuierliche Stärkung und Stärkung der Verbindungen zwischen Neuronen und wird letztendlich in Zellgruppen tief in der Großhirnrinde gespeichert.

Die Quantität und Qualität der Zellpopulationen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Gedächtnisses. Im Leben können wir Gehirnzellgruppen auf vielfältige Weise aktivieren und stärken, beispielsweise durch Lesen, Sprachenlernen, Sport treiben und das tägliche Leben führen.

Darüber hinaus können einige gesunde Lebensgewohnheiten, wie z. B. richtige Ernährung, ausreichend Schlaf und die Vermeidung von übermäßigem Trinken und Rauchen, ebenfalls dazu beitragen, die Gesundheit von Zellgruppen zu erhalten und so die Verbesserung des Gedächtnisses zu fördern.

Kurz gesagt, es besteht ein untrennbarer Zusammenhang zwischen Zellpopulationen und dem Gedächtnis. Wir sollten unsere Zellpopulationen aktiv kultivieren und schützen, um unser Gehirn gesund und flexibel zu halten und unser Gedächtnis und unsere kognitiven Fähigkeiten zu verbessern. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola ein traditionelles chinesisches Arzneimittel ist, das viele einzigartige Wirkungen hat, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Cistanche deserticola beruht auf den zahlreichen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Gerbsäure, Polysaccharide, Flavonoidglykoside usw. Diese Inhaltsstoffe können die Gesundheit des Gehirns auf verschiedene Weise fördern.

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Nach der Angstkonditionierung werden diese Zellen künstlich aktiviertwird während der Angsterinnerung aktiviert. Die optische Stimulation eines konkurrierenden positiven Gedächtnisses reicht aus, um das Gedächtnis während der Rekonsolidierung zu aktualisieren und dadurch konditionierte Angst akut und dauerhaft zu reduzieren.

Darüber hinaus zeigen Mäuse, dass ein Operant auf die Reaktivierung eines positiven Gedächtnisses reagiert, was dessen belohnende Eigenschaften bestätigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Störungen durch eine lohnende Erfahrung negativen affektiven Zuständen entgegenwirken können.

Während die durch Gedächtnisreaktivierung induzierte Gedächtnisaktualisierung einen relativ kleinen Satz von Neuronen betrifft, stellen wir auch fest, dass die Aktivierung einer großen Population zufällig markierter Neuronen des Gyrus dentatus dorsal die Rekonsolidierung wirksam fördert.

Wichtig ist, dass die Gedächtnisaktualisierung spezifisch für das Angstgedächtnis ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der dorsale Gyrus dentatus ein potenzieller therapeutischer Knotenpunkt für die Modulation von Erinnerungen zur Unterdrückung von Angst ist.

Maladaptive konditionierte Angst, die durch dysregulierte Angstschaltkreise verursacht wird, spielt eine bedeutende Rolle in der Ätiologie von Angststörungen wie spezifischen Phobien und posttraumatischer Belastungsstörung (PTSD).

PTBS kann sich bei Personen entwickeln, die ein traumatisches Ereignis erlebt haben, und ist oft durch anhaltende Erinnerungen an das Trauma gekennzeichnet1. Folglich wurde die kontextuelle Angstkonditionierung (Contextual Furcht-Conditioning, CFC), die in allen Spezies hoch konserviert ist2, als repräsentatives Modell bei Tieren verwendet, um bestimmte Aspekte von PTBS zu untersuchen, wie z. B. Angstverallgemeinerung, übertriebene Angstreaktionen und erhöhte Stressreaktivität3–5.
Die am weitesten verbreiteten CFC-Paradigmen beinhalten die Kombination eines emotional neutralen konditionierten Reizes (CS), wie z. B. eines Trainingskontexts, mit einem aversiven unbedingten Reiz (US), wie einem Fußschock, der typischerweise Aktivitätsschübe hervorruft, die bei Nagetieren zu konditionierten Erstarrungsreaktionen führen. Es entsteht eine erlernte Assoziation, und das CS erwirbt aversive Eigenschaften, die das Abrufen des konditionierten Angstgedächtnisses in Abwesenheit des US erleichtern.

In Nagetiermodellen führt dies zu einer konditionierten Angstreaktion bei erneuter Exposition gegenüber dem Kontext, der diese erlernte Beziehung verdeutlicht6. Beim Menschen kann pathologisch bedingte Angst über Jahrzehnte hinweg auftreten, selbst wenn der genaue Kontext fehlt, in dem das traumatische Ereignis stattgefunden hat.

Obwohl Angststörungen in der Allgemeinbevölkerung weit verbreitet sind und viele Menschen pathologische Angst als eine Form eines übertriebenen Angstzustands erleben, gibt es nur wenige Möglichkeiten, maladaptive konditionierte Angst abzuschwächen.

Die Rekonsolidierung hat jedoch Potenzial als therapeutischer Mechanismus zur Verringerung der Pawlowschen Angst7. Die Rekonsolidierungstheorie geht davon aus, dass Erinnerungen während des Abrufs destabilisiert werden, wenn sie in einen vorübergehenden Zustand der Formbarkeit gelangen, in dem sie moduliert werden können, wenn sie wieder stabilisiert werden müssen7,8.

Trotz der langen Geschichte experimenteller Interventionen im Zusammenhang mit der Rekonsolidierung, bei denen verschiedene pharmakologische Wirkstoffe, Verhaltensbehandlungen und Stimulationsprotokolle zur Störung oder Verbesserung des Gedächtnisses eingesetzt wurden9–11, haben diese Studien zu gemischten Ergebnissen geführt.
Erst vor kurzem wurde das Potenzial für die Entwicklung verbesserter, auf Rekonsolidierung basierender Behandlungen und neuartiger Interventionen erkannt12,13. Dennoch sind die meisten wirksamen Therapien für PTBS traumafokussiert, was bedeutet, dass die Behandlung sich auf die Erinnerung an das traumatische Ereignis konzentriert14.

Es wird angenommen, dass das Gedächtnis in den spärlichen Aktivitätsmustern neuronaler Populationen innerhalb eines verteilten Netzwerks gespeichert ist15–17, oder wie WilderPenfield das Gedächtnis als „die Schrift, die das Gehirn durch bewusste Erfahrung hinterlässt“18 beschrieb.

Wir bezeichnen diese Ensembles, die während der Gedächtniskodierung aktiv sind, oft als Gedächtnisspuren oder Engramme19,20, und diese Engramme werden während des Abrufs reaktiviert17,21. Erkenntnisse aus mehreren Studien haben gezeigt, dass bestimmte Erinnerungen, einschließlich Angsterinnerungen, durch die Hemmung damit verbundener Engramme gestört werden können15,22–26. Insbesondere der dorsale Gyrus dentatus (dDG) des Hippocampus ist wichtig für die Kodierung kontextueller Angsterinnerungen27–30 und wurde mit der Pathophysiologie mehrerer Angststörungen in Verbindung gebracht28,31.

Von besonderer Bedeutung für PTSD sind kontextuelle Informationen, die mehr als nur räumliche Informationen umfassen und Angst und Sicherheit modulieren können.4. Wertigkeit (z. B. negative Erinnerungen) kann als ein Aspekt des Kontexts angesehen werden, der das Potenzial hat, übertriebene Angstreaktionen und eine Verallgemeinerung der Angst durch im Hippocampus gebildete Assoziationen zu fördern .

Wichtig ist, dass die DG auch eine Rolle bei der Unterscheidung traumabezogener und nicht traumabezogener Kontextinformationen32,33 sowie beim Extinktionslernen34 spielt und PTSD-Patienten in beiden Fällen Beeinträchtigungen aufweisen3. Darüber hinaus haben wir zuvor gezeigt, dass die künstliche Reaktivierung eines im dDG gespeicherten positiven Gedächtnisses stressbedingtes, mit Depressionen in Zusammenhang stehendes Verhalten akut retten kann35.

Hier schlagen wir eine innovative Intervention vor, die auf der Hypothese basiert, dass der Einsatz der Optogenetik zur künstlichen Reaktivierung eines zuvor gebildeten, durch dDG vermittelten Gedächtnisses während der Rekonsolidierung das ursprüngliche Angstgedächtnis dauerhaft verändert und zerstört. Wir verwendeten das Tet-Tag-System36, um dDG-Neuronen zu markieren, die durch die Exposition gegenüber positiven, neutralen oder negativen Erfahrungen mit Channelrhodopsin-2 (ChR2) aktiviert wurden.

Mäuse wurden anschließend angstkonditioniert und einem Angstgedächtnis-Rückruftest unterzogen, bei dem diese markierten Neuronen optisch reaktiviert wurden. Wir stellten die Hypothese auf, dass dieser Eingriff während des Rekonsolidierungsfensters das Angstgedächtnis mit Attributen aus dem konkurrierenden Engramm aktualisieren würde, wodurch der Verhaltensausdruck konditionierter Angst verringert würde.

Da wir außerdem zuvor gezeigt haben, dass stressbedingte Verhaltensweisen durch die optische Reaktivierung von dDG-Zellen, die zuvor während einer positiven Erfahrung aktiv waren, gerettet werden können35 und andere gezeigt haben, dass positive Emotionen einer Teilmenge der Nachwirkungen negativer Emotionen entgegenwirken37, schlugen wir vor, dass dieser Effekt bei der Konkurrenz stärker ausgeprägt wäre Engramm war mit einer positiven Erfahrung verbunden, verglichen mit einer neutralen oder negativen Erfahrung.

Hier zeigen wir, dass eine auf Rekonsolidierung basierende Hippocampus-Interferenz, die durch die optische Reaktivierung eines konkurrierenden, positiven Gedächtnisses hervorgerufen wird, ausreicht, um ein Angstgedächtnis auf Ensembleebene zu aktualisieren, was zu einer Abschwächung maladaptiver konditionierter Angst führt.

Ergebnisse

Die künstliche Reaktivierung von Hippocampus-vermittelten Erinnerungen während der Rekonsolidierung des Angstgedächtnisses reduziert die Angst akut und dauerhaft

Wir verwendeten eine virale, aktivitätsabhängige und induzierbare neuronale Markierungsstrategie bei Wildtyp-c57BL/6-Mäusen (Abb. 1a). Männliche Mäuse wurden mit einem Virus (entweder ChR2 oder eYFP) injiziert und mit bilateralen Glasfasern implantiert, bevor sie von DOX entfernt wurden, um ein Markierungsfenster zu öffnen17,38.

Sie wurden in drei Gruppen aufgeteilt und jeder wurde ein unterschiedlich valenziertes Verhaltenserlebnis zugewiesen (Abb. 1a). Alle Mäuse wurden in einen neuen, sauberen Käfig gesetzt und entweder ungestört gelassen (neutral)21, mit einem Weibchen zusammengebracht (positiv)35,39 oder in ein Rückhalterohr mit Luftlöchern gesetzt (negativ)35 und dann in den Käfig gesetzt. Eine Stunde später wurden die Mäuse wieder auf DOX in ihre Heimkäfige zurückgebracht, um das Markierungsfenster zu schließen.

Am folgenden Tag wurden die Mäuse in Kontext A angstkonditioniert (FC) und 24 Stunden später einem 20-minütigen Erinnerungstest im selben Kontext unterzogen. Während dieses Tests, bei dem wir konditionierte Angst (d. h. Einfrieren) als Stellvertreter für den Abruf des assoziativen Angstgedächtnisses bewerteten, stimulierten wir gleichzeitig die markierten dDG-Ensembles während der ersten (F10) oder letzten Hälfte (L10) der Sitzung und nicht während der gesamten Sitzung. da wir keine Hitzeschäden am Gehirn riskieren wollten40 und Licht-Ein- und Licht-Aus-Perioden innerhalb des Subjekts vergleichen wollten.

Wir gingen zunächst davon aus, dass die Reaktivierung einer positiven Erinnerung während der letzten Hälfte der Erinnerungssitzung die Rekonsolidierung fördern würde, da die Angsterinnerung bereits online wäre. Dies würde möglicherweise das Angstgedächtnis-Ensemble verändern und es mit positiven Attributen aus der Erfahrung aktualisieren, was zu einem verringerten Einfrieren zu späteren Zeitpunkten führen würde.

Unser Ziel war es, die Stärke der CS-US-Assoziation gezielt zu schwächen, indem wir die erworbene Abneigung gegen CS41 dämpfen und das ursprüngliche Angstgedächtnis durch Rekonsolidierung verändern. Daher haben wir eine Sitzungsdauer von nicht mehr als 20 Minuten gewählt, um sicherzustellen, dass unsere optische Manipulation während des kurzen Zeitfensters nach der Gedächtnisreaktivierung eingeführt wird, wenn eine Neukonsolidierung erfolgt42 und nicht während des Extinktionslernens43.

Diese Strategie ermöglicht es uns, mit optischer Stimulation während des Abrufs Echtzeitabnahmen des Gefrierens zu messen. Darüber hinaus ermöglicht es uns, alle langanhaltenden Auswirkungen unserer Manipulation zu messen, und wir haben unsere Bewertung daher um zwei Extinktionssitzungen erweitert, um die stressbedingte Wiedereinsetzung nach einem unmittelbaren Schock in Kontext B zu testen.

Der Schock wurde in einem neuen Kontext in weniger als 2 Sekunden abgegeben, sodass Mäuse keine kontextuelle Darstellung der Umgebung und daher kein neues assoziatives Angstgedächtnis bildeten, aber dennoch Stress erlebten.

Diese Methode ermöglichte es uns, die Generalisierung von Angst und die erhöhte Stressreaktivität als Beispiel für maladaptive Konditionierung zu modellieren, da der Stressor in einem anderen Kontext übertragen wurde 44–46. Basierend auf früheren Studien 39, 41, 47 wurden Mäuse zunächst mit einem 4- FC behandelt. Schockprotokoll (Abb. 1b), wobei sie schrittweise ein Einfrieren zeigten, das mit jedem aufeinanderfolgenden Schock zunahm (ergänzende Abb. 1a – c).

Wir haben dieses Gefriermuster bei allen Experimenten gesehen (Ergänzende Abbildung 1a – h). Am nächsten Tag wurden die Mäuse für einen Angstgedächtnis-Erinnerungstest in den Kontext zurückgebracht (Abb. 1c). Bei der L10-Stimulation zeigten Mäuse in positiver und negativer ChR2-Gruppe eine Echtzeitreduzierung des Gefrierens im Vergleich zu Mäusen in der neutralen ChR2-Gruppe bzw. den eYFP-Kontrollen.

Während es während der gesamten Sitzung aufgrund des Ausbleibens eines Schocks zu einem natürlichen Rückgang des Gefrierens kam, zeigten diese Mäuse einen deutlich steileren Rückgang. Während die Gefrierwerte im Laufe der Aussterbetage im Allgemeinen abnahmen, wurden während des Aussterbens (Abb. 1d und ergänzende Abb. 1a) oder beim unmittelbaren Schock (Abb. 1e) keine Gruppenunterschiede beobachtet. Während der Wiedereingliederung (Abb. 1f) sahen wir im Vergleich zu neutralen eYFP-Mäusen weniger Gefrieren bei innegativen ChR2-Mäusen, und im Allgemeinen erstarrten eYFP-Kontrollmäuse bei der Wiedereingliederung im Vergleich zum sofortigen Schock stärker als experimentelle ChR2-Mäuse (Abb. 1g).

Im Gegensatz dazu war das Einfrieren nach dem Schock nach einer Angstkonditionierung (Abb. 1h) im F10-Zustand (Abb. 1i) nur bei positiven ChR2-Mäusen im Vergleich zu eYFP-Kontrollen verringert, was insbesondere in den letzten 10 Minuten der Sitzung auftrat. Hier neutral -ChR2-Mäuse erloschen schneller; Während des Aussterbens wurden jedoch keine Gruppenunterschiede beobachtet (Abb. 1j und ergänzende Abb. 1b).

Wie erwartet gab es während des unmittelbaren Schocks keine Gruppenunterschiede (Abb. 1k). Während der Wiedereingliederung zeigten sowohl positive als auch neutrale ChR2-Gruppen im Vergleich zu den eYFP-Kontrollen eine geringere Angst, negative ChR2-Mäuse dagegen nicht (Abb. 1l).

Auch hier erstarrten die Kontrollmäuse bei der Wiederaufnahme stärker als die Versuchsmäuse im Vergleich zum unmittelbaren Schock (Abb. 1m), und dies war ein ausgeprägterer Effekt. Daher haben wir das F10-Protokoll für alle nachfolgenden Experimente übernommen.

Als zusätzliche Kontrolle haben wir jedoch ein Experiment hinzugefügt, um zu beurteilen, wie wirksam die künstliche Reaktivierung eines positiven Gedächtnisses während des mittleren Teils der Sitzung (M10) im Vergleich zur F10- oder L10-Stimulation während des Abrufs wäre (ergänzende Abbildung 2a). Während der Erfassung der FC-Reaktion zeigten Mäuse unter allen drei Bedingungen ein stärkeres Gefrieren nach dem Schock (ergänzende Abbildung 2b – g).

Während des Rückrufs verursachte die Stimulation in Echtzeit eine Abnahme des Gefrierens in der ChR2-Gruppe unter den Bedingungen F10 und L10, jedoch nicht unter den Bedingungen M10 (ergänzende Abbildung 2h – j). F10-ChR2-Mäuse zeigten in der zweiten Hälfte der Erinnerungssitzung ohne Stimulation weiterhin ein vermindertes Einfrieren (ergänzende Abbildung 2j).

Alle drei Stimulationsprotokolle führten in den ersten 3 Minuten nach der Extinktion zu einem verringerten Gefrieren bei ChR2-Mäusen, Gruppenunterschiede wurden jedoch nur bei F10--stimulierten Mäusen beobachtet (ergänzende Abbildung 2k – m).

Während der ersten Auslöschungssitzung war der Angstausdruck in F10- oder M10-ChR2-Gruppen verringert (ergänzende Abbildung 2n – p). Es gab keine Unterschiede im unmittelbaren Schock (ergänzende Abbildung 2q–s). Schließlich stellten wir während der Wiedereinstellung erneut ein vermindertes Einfrieren sowohl der F10- als auch der M10-ChR2-Gruppe fest (ergänzende Abbildung 2t – y).

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