Degradation of Scene-dependent Rate Modulation of the CA3 Place Cells in the Absence of the Dentate Gyrus Inputs during Ambiguous Scene Retrieval

Abstract

The ability to differentiate similar experiences into discrete events in memory is a fundamental component of the episodic memory. Computational models and experimental evidence have suggested that projections from the dentate gyrus (DG) to CA3 play important roles in representing orthogonal information (i.e., pattern separation) in the hippocampus. However, the effects of eliminating the DG on neural firing patterns in the CA3 have rarely been tested in a goal-directed memory task that requires both the DG and CA3. In this thesis, the simultaneous application of lesion and in-vivo electrophysiology were used to examine the role of the DG inputs to the CA3 as the animal processes scene memory. Selective lesions in the DG were made using colchicine in male Long-Evans rats, and CA3 single units were recorded as the rats performed visual scene memory tasks. The original scenes used in training were modified during testing by blurring to varying degrees, by using visual masks, or by overlaying competing scenes to examine how changes in scenes differentially recruit the DG-CA3 circuits. Compared with controls, the performance of rats with DG lesions was particularly impaired when blurred scenes were used in the task. The firing-rate modulation associated with visual scenes in these rats was significantly reduced in the single units recorded from the CA3 when blurred scenes were presented, largely because DG-deprived CA3 cells did not show stepwise, categorical rate changes across varying degrees of scene ambiguity compared with controls. These findings suggest that the DG plays key roles not only during the acquisition of scene memories but also when modified visual scenes are processed in conjunction with the CA3 by making the CA3 network respond orthogonally to ambiguous scenes.

특정 환경에 적합한 행동을 하기 위해 우리는 과거에 그 환경에서 어떠한 경험을 하였는지 반추한다. 해마는 이와 같이 과거에 경험한 사건 등에 대한 일화 기억을 처리할 때 중요한 뇌 영역이라고 알려져 있다. 항상 변화하는 환경 속에서 매번 과거와 동일한 자극을 경험하긴 어렵다. 따라서, 일화 기억의 처리에는 서로 유사하지만 다른 상황을 구분하는 과정이 필요하다. 해마의 하위 영역인 치상회는 서로 유사한 자극을 분리하여 저장하기 위해 필요하다고 알려져 있으나, 단위신경세포 수준의 정보처리 기전은 아직 알려진 바 없다. 이 논문에서는 최근 일화 기억의 저장과 인출 과정이 시각적으로 들어오는 장면에 대한 처리와 밀접한 연관을 가지고 있다는 주장에 기반하여, 유사한 장면 자극들이 해마에서 처리되는 기전에 대한 연구를 진행하였다. 이 연구에서는 콜치신을 사용한 쥐의 치상회의 손상이 시각 장면 기억 과제의 수행을 저해하는지 그 행동적 영향을 검증하였다. 또한, 치상회로부터 정보를 받는 CA3영역의 단위신경세포의 활동 전위가 어떠한 방식으로 장면 자극을 표상하고, 기존에 학습했던 장면 자극이 변형되었을 때는 어떻게 표상하는지, 그리고 그 표상 방식들이 치상회의 손상 여부에 따라 어떻게 영향을 받는지 전기생리학적 검증을 시도하였다. 통제 집단에 비해 치상회 손상 집단은 기존에 학습하였던 장면 자극이 흐릿하게 제시될 때에만 낮은 과제 수행률을 보였다. 동시에 치상회가 손상된 쥐들의 CA3 단위신경세포의 시각 장면 관련 발화율 변조가 흐릿한 장면 자극이 제시되었을 때 현저하게 감소하였다. 이는 치상회가 손상된 쥐의 CA3 단위신경세포가 통제 집단에 비해 흐릿한 장면 자극의 모호성의 정도에 따른 범주적 변화를 보여주지 않았기 때문이다. 본 연구는 치상회가 CA3 영역이 애매한 장면에 직교적으로 반응하게 함으로써 장면 기억을 저장하는 과정뿐만 아니라, CA3와 함께 수정된 시각 장면이 처리될 때에도 핵심적인 역할을 한다는 것을 규명하였다.