Гиппокамп содержит клетки энграммы (engram), которые играют привилегированную роль в кодировании и извлечении воспоминаний^4,12. Engram-клетки обычно идентифицируются по экспрессии индуцируемого активностью транскрипционного фактора Fos¹³ во время кодирования воспоминания⁷, а их синхронная активация может вызвать надежное воспоминание^8,14. Появляется все больше доказательств того, что нейроны, определяемые по экспрессии Fos, несут информацию о контексте, которая может быть использована для формирования устойчивых ассоциаций, например, между конкретной средой и вызывающим отвращение результатом. Кроме того, гиппокамп содержит клетки места (place), которые кодируют пространственные карты окружающей среды и, как полагают, поддерживают пространственную память и навигацию^2,3,15,16.

Несмотря на роль энграмм-нейронов и клеток места для памяти гиппокампа, о взаимоотношениях между этими клетками известно очень мало, отчасти из-за сложности соотнесения экспрессии Fos с предшествующими паттернами нейронной активности во время поведения^5,11,17-21 и из-за того, что Fos-экспрессирующие нейроны гиппокампа не были подробно охарактеризованы в типичных парадигмах пространственного обучения, используемых для изучения клеток места. Поэтому мы попытались выяснить паттерны нейронной активности, которые определяют экспрессию Fos в гиппокампе мышей, выполняющих задачу пространственного запоминания.

Примечательно, что связь между нейронной активностью и Fos является двунаправленной. Помимо того, что Fos служит маркером поведенчески значимых нейронов, будучи индуцированным, он действует как критический регулятор программ экспрессии генов, контролирующих клеточные, синаптические и цепные модификации, которые, в свою очередь, точно настраивают сетевую активность^11,22-24. Однако, хотя теории энграмм и когнитивных карт указывают на то, что синаптическая пластичность необходима для стабилизации воспоминаний в гиппокампе^25,26, лишь немногие исследования изучали функцию Fos как путь к более глубокому пониманию механизмов формирования, консолидации и восстановления памяти.

Для достижения этой цели мы недавно продемонстрировали, что Fos организует специфическую для клеток тормозную пластичность в области СА1 гиппокампа и что функция Fos необходима для гиппокамп-зависимого пространственного обучения в водном лабиринте Морриса²⁴. Эти результаты позволяют предположить, что Fos может модулировать коды места, учитывая известное влияние торможения на срабатывание клеток места и вероятную роль клеток места в пространственном обучении^16,27,28. Однако еще предстоит выяснить, действительно ли Fos играет активную роль в регуляции некоторых аспектов функционирования клеток места во время пространственной навигации.

Здесь мы разработали поведенческий и визуализационный подход для изучения взаимосвязи между экспрессией Fos и клетками места. Мы обнаружили, что клетки с высокой индукцией Fos функционируют как ансамбли высоко cкоррелированных клеток места (места), организованных в виде последовательностей вдоль дорожки виртуальной реальности, с надежной активностью в их полях места от пробы к пробе в течение сессии. Более того, поля мест в этих Fos-индуцированных клетках равномерно покрывают окружающую среду, с высокой стабильностью в течение дня по сравнению с не-Fos-индуцированными клетками. Используя метод генетической потери функции у мыши, мы дополнительно определили причинную роль Fos в регуляции кодов мест гиппокампа. Клетки, лишенные Fos, имеют поля мест с меньшей надежностью, пространственной избирательностью и стабильностью ото дня ко дню, чем их соседи дикого типа. Вместе взятые, наши результаты показывают, что клетки, экспрессирующие Fos, вносят вклад в пространственное кодирование, формируя надежные, долговечные и пространственно несмещенные карты окружения, и далее определяют обучающую роль белка Fos в этом процессе. Эти результаты указывают на связь между контекстуальными воспоминаниями, кодируемыми энграммами^4,6, и когнитивными теориями карт¹ функции гиппокампа.

Мыши, бегущие по поддерживаемому воздухом мячу, проходили линейную дорожку длиной 2 м, которая повторялась в круговой топологии в виртуальной реальности (рис. 1а). Чтобы получить вознаграждение, мыши должны были лизнуть носик в пределах 20-сантиметровой зоны вознаграждения (рис. 1а). Мы оценивали поведенческие характеристики каждой мыши как избирательность облизывания, определяемую путем сравнения количества облизываний вблизи зоны вознаграждения с количеством облизываний на одинаковом по размеру участке дорожки, удаленном от зоны вознаграждения. Мыши-новички лизали равномерно по всей дорожке и имели почти случайную избирательность лизания (рис. 1б). Избирательность облизывания увеличивалась в течение нескольких дней по мере того, как мыши узнавали местоположение награды, после чего у них сохранялась стабильная высокая избирательность (рис. 1б,в). Во всех экспериментах, связанных с приведенной ниже задачей, мы изучали мышей, которые были хорошо обучены и, следовательно, хорошо знакомы с задачей и окружающей средой.

Наши результаты представляют несколько линий доказательств, устанавливающих связь между Fos-экспрессирующими клетками и кодами места гиппокампа, и далее определяют роль Fos в аспектах этой связи. Во-первых, клетки с высоким содержанием Fos имеют более высокую распространенность поля места и более надежную активность поля места от пробы к пробе в данный день, чем клетки с низким содержанием Fos, что позволяет более точно декодировать местоположение мыши в окружающей среде. Во-вторых, отключение функции Fos приводит к ухудшению пространственной карты по сравнению с соседними клетками дикого типа из-за меньшей распространенности полей места и менее надежной активности от пробы к пробе. В-третьих, клетки с высоким содержанием Fos имеют более высокую стабильность полей места в течение дней, а клетки Fos-KO имеют менее стабильные поля места в течение дней. В-четвертых, поля места в клетках с высоким уровнем Fos равномерно распределены по дорожке, в то время как клетки с низким уровнем Fos обогащены зоной вознаграждения. В-пятых, клетки с высоким Fos имеют более сильную связь с кодированием места, чем клетки с низким Fos, даже в условиях отсутствия вознаграждения или задания, а также при перемене места в разных условиях. В-шестых, с Fos высоким содержанием клетки, но не Fos-низкие клетки, формируют ансамбли нейронов, которые совместно действуют на одни и те же наборы испытаний, и эти ансамбли организованы как последовательности клеток места.

Характеристики Fos-экспрессирующих клеток, описанные нами здесь, указывают на связь между теорией когнитивных карт гиппокампа^1,2 - основы для описания того, как пространства кодируются активностью нейронов, и кодированием контекстуальной памяти, которую, как было показано, поддерживает энграмма гиппокампа^7-9. Экспрессия Fos, которая часто используется для определения энграмм гиппокампа, похоже, конкретно связана с кодированием места, а не с кодированием особенностей поведения животного или валентности (в данном случае награды). Кроме того, коррелирующая активность среди Fos-нейронов свидетельствует о наличии ансамбля функционально взаимосвязанных клеток, что является характерной чертой энграмм, которая, как было предложено⁴ , позволяет вспомнить всю обстановку или опыт на основе синхронной активации всего нескольких нейронов. Наконец, стабильные и пространственно однородные карты, сформированные Fos-экспрессирующими нейронами, могут выступать в качестве контекстуальной ссылки для формирования памяти и вспоминания. Поскольку одни и те же клетки индуцируют Fos в разные дни, эти клетки вовлечены во множественный опыт, происходящий в одном и том же контексте^18,41. Такая карта, инвариантная к конкретному опыту и стабильная во времени, может действовать как общий пространственный ориентир, участвующий в многочисленных энграммах эпизодической памяти, которые имеют общий экологический контекст.

В предыдущем исследовании было предложено, что Fos-экспрессирующие нейроны кодируют контекст и не связаны с пространственными картами в новой среде¹⁰. Это исследование показало, что Fos-экспрессирующие клетки содержат меньше пространственной информации на потенциал действия (spike), чем не-Fos-экспрессирующие клетки, и с большей вероятностью перестраивают карту после повторного воздействия новой среды¹⁰, это отличается от того, о чем мы сообщаем здесь. Хотя в нашей работе и в предыдущем исследовании использовались разные методы изучения пространственного поведения, выявления Fos-экспрессирующих нейронов и измерения нейронной активности, эти различия вряд ли объясняют полученные результаты. Например, изучение клеток места с помощью кальциевой визуализации и виртуальной реальности, как это делали мы, является хорошо зарекомендовавшим себя подходом, который, как было показано, обнаруживает сходные свойства клеток места с другими методами^42-44. Напротив, ключевое различие между этими исследованиями заключается в том, что предыдущая работа была сосредоточена на клетках, экспрессирующих Fos в новой среде, в то время как мы изучали эти клетки в знакомой среде. В новой среде Fos индуцируется более широко⁴⁵ , и вполне вероятно, что сигналы, связанные с новизной, такие как новые запахи, звуки, виды и текстуры, в значительной степени стимулируют индукцию в этой среде. По мере того, как среда становится привычной при повторном воздействии, индукция Fos под влиянием факторов, не связанных с пространственной новизной, снижается, возможно, оставляя пространственные факторы в качестве основного фактора экспрессии Fos. В этом случае, поскольку воздействия из клеток места индуцирует экспрессию Fos и, в свою очередь, Fos необходим для создания стабильной пространственной карты в знакомой среде, как мы показали здесь, эта петля обратной связи может укрепить код места и усилить связь между Fos и кодом места по мере того, как среда становится знакомой. Действительно, код места в СА1 переходит от нестабильного в новой среде к стабильному в знакомой среде^46,47. Таким образом, возможно, что Fos-экспрессирующие нейроны кодируют признаки, наиболее значимые для гиппокампа, которыми могут быть контекст в новых средах и пространство в знакомых средах. Наконец, возможно, что пространственные и непространственные контекстуальные коды сосуществуют в Fos-индуцированных нейронах, поскольку не все Fos-содержащие нейроны, которые мы регистрировали, демонстрировали поля места.

Примечательно, что свойства наших ансамблей с высоким содержанием Fos нейронов сходны со свойствами клеток места, которые участвуют в резких волновых пульсациях⁴⁸. Например, подобно клеткам Fos-high, клетки места, модулируемые резкими волновыми пульсациями, имеют поля, которые равномерно покрывают все окружение, не смещены в сторону места вознаграждения и стабильны во времени^48,49. Это сходство позволяет предположить, что наши ансамбли Fos-высоких клеток могут участвовать в консолидации памяти во время спокойного бодрствования или сна, поскольку в эти периоды происходят резкие волновые пульсации, которые содержат сжатое воспроизведение или реактивацию последовательностей клеток места, критически важных для стабильной пространственной памяти⁵⁰.

Мы были мотивированы расширить наши исследования, не ограничиваясь использованием Fos в качестве маркера активности, и стремились выявить причинную роль Fos в формировании активности гиппокампа и кодов места. Мы предположили, что если Fos будет вовлечен в этот процесс, это может послужить молекулярным началом для создания механистической основы для понимания клеточных, синаптических и схемных основ регуляции эпизодической памяти. В соответствии с этой идеей, наши результаты указывают на участие Fos в формировании кодов места, но не в первоначальном создании полей места. Недавно мы показали, что Fos, через нижележащий эффектор Scg2, влияет на длительные изменения в отдельных подтип-специфических тормозных синапсах на пирамидальных нейронах СА1, но не влияет на возбуждающую синаптическую передачу на эти клетки²⁴. В целом, наши результаты согласуются с предыдущими работами, предполагающими, что поля места могут первоначально формироваться посредством возбуждающих синаптических механизмов^51,52, в то время как торможение является критическим для модуляции воздействия клеток места, которые уже сформировались, в том числе для подавления воздействия вне поля и регуляции уровня и времени клеточной активности^27,28. Таким образом, Fos может регулировать кодирование места, устанавливая соответствующие источники и уровни торможения, необходимые для поддержания функциональных сетей клеток места. Однако это лишь один из многих возможных механизмов, с помощью которых Fos может формировать нейронную активность в СА1. Будущая работа будет посвящена изучению роли Fos-опосредованной тормозной пластичности непосредственно у ведущих себя соотв. животных и исследованию других потенциальных путей, посредством которых Fos может влиять на функцию клеток места. Кроме того, вполне вероятно, что Fos действует в сочетании с другими путями, как и ожидалось для такого сложного процесса, как обучение и запоминание пространственных карт. Хотя мы не оценивали здесь влияние экспрессии Fos на поведение, поскольку мы нарушили функцию Fos только в небольшом наборе нейронов, деградация пространственного кода, которую мы наблюдали в клетках Fos-KO, согласуется с нашими недавними результатами о том, что нокаут Fos в большой части клеток СА1 нарушает пространственное обучение в водном лабиринте Морриса²⁴.

Помимо связей с кодированием места, наша работа исследует паттерны активности, которые управляют экспрессией Fos в гиппокампе во время поведения, и изучает причинную роль Fos в регулировании общего уровня активности нейронов^10,17,53. Во время пространственной навигации Fos индуцируется наиболее сильно в клетках с более высоким общим притоком кальция и длительными кальциевыми переходами, а удаление Fos приводит к более длительным кальциевым переходам. Хотя эти результаты могут быть обусловлены различиями в базовой spiking активности, потребуется дальнейшая работа, чтобы определить, как количество, скорость и характер spikes различаются между этими группами. Возможно, что Fos работает в петле отрицательной обратной связи для регулирования общего уровня активности клетки, где более высокая активность приводит к индукции Fos, а Fos затем действует для ограничения типа активности, который привел к его индукции.

В целом, наше исследование демонстрирует критическую роль Fos-экспрессирующих клеток в пространственном кодировании, тем самым обеспечивая основу для понимания того, как активность гиппокампа может поддерживать как пространственную, так и контекстуальную память. Мы также демонстрируем, что Fos не только служит маркером активных нейронов, но и играет обучающую роль в формировании активности гиппокампа и, следовательно, его функции. Будущая работа будет иметь решающее значение для изучения молекулярных, клеточных и схемных механизмов, с помощью которых Fos формирует коды места во время пространственной навигации, а также в других поведенческих контекстах.