Characteristics and Cognitive Functions of Another Hippocampal Subregion: Fasciola Cinereum

Abstract

The fasciola cinereum (FC) is a small subregion of the hippocampus, relatively unattended compared to the other hippocampal subregions. It is known that each subregion of the hippocampus plays a key role in cognitive function, especially in learning and memory, through its unique connections and physiological characteristics. However, the connectivity and physiological characteristics of FC has rarely been studied, so it is hard to predict what the cognitive function is. In this anatomy study, it was revealed that FC receives input from the lateral entorhinal cortex and perirhinal cortex and projects into DG. Taking into account the anatomical connections of FC, it can have a cognitive function related to contextual memory and object associative memory. To test if FC involved in learning, a contextual learning experiment, which was known as DG-dependent learning, was performed with rats whose FC was selectively damaged. The retrieval performance with the pre-learned scenes was not impaired, while acquisition performance with the new scenes was impaired in the lesion group, comparing to control rats, suggesting that FC is essential for contextual memory acquisition. In addition, FC showed important roles in other memory tasks, including object-place association tasks, suggesting that FC has a more general role in learning as well as contextual learning. In the freely moving rats, the neurons of the FC showed a place field like those in the other hippocampal subregions, while detailed electrophysiological characteristics differed from those of CA1. Also, when the place field was observed in the FC cells of rats during shuttling on the T-maze with alternating of contextual scenes, it was observed that the place field showed global remapping. Significance Statement: This study is critical because it revealed the connectivity, physiological characteristics, and cognitive function in memory of FC, which was seldom noticed in the past, and newly suggested learning mechanism of dentate gyrus including FC. This finding not only broadened the understanding of the structure and function of the hippocampus but also found a possible cause of anterograde amnesia, which is meaningful in that it can be the beginning of treatment of the disease. The newly presented model may also inspire the construction of brain-like AI.

소대회 (fasciola cinereum)는 해마의 하위 구조 중 하나로, 다른 해마의 하위 구조들에 비해 상대적으로 잘 알려지지 않은 미지의 영역이다. 기존의 연구들에서 해마의 하위 구조들의 고유한 연결 및 생리학적 특성이 인지적인 기능, 특히 학습과 기억에, 중요하다는 것이 알려진 바 있다. 하지만 소대회의 연결 관계 및 생리학적 특성에 대해서는 거의 알려진 바가 없기 때문에, 이것의 인지적인 기능이 무엇일지 예상하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 이 연구에서는 소대회의 해부학적 연결 관계 및 생리학적 특성을 밝히고, 인지적인 기능이 무엇인지 알아내고자 하였다. 이 연구의 해부학 실험에서 소대회가 비 주위 피질과 측면 내 후각 피질에서 정보를 받고 치상회로 정보를 전달한다는 것을 알아내었다. 소대회와 연결된 영역들이 학습과 기억에 중요한 영역이기 때문에, 소대회 역시 학습에 중요한지 알아보기 위해, 소대회를 선택적으로 없앤 쥐를 이용하여, 치상회가 중요하다고 알려져 있는 맥락 학습 실험을 진행 하였다. 예상대로, 이 쥐는 이미 배운 것을 회상하는 데는 대조 군과 큰 차이를 보이지 않았지만, 새로운 맥락 학습을 하는 데는 어려움을 겪는다는 것을 확인할 수 있었다. 이것을 통해 소대회가 맥락 학습에 중요하다는 것을 알게 되었다. 마지막으로 소대회가 맥락 학습에 특화된 영역인지 다른 종류의 치상회가 중요하다고 알려져 있는 실험에도 중요한지 알아보기 위해 사물-장소 연상 기억을 요구하는 실험들과 사물의 재인 능력을 알아보는 실험들을 진행 하였다. 그 결과 소대회가 사물을 재인하는 능력에는 영향을 미치지 않지만, 사물과 장소의 연상 기억을 요구하는 실험들에서는 중요하다는 것을 알게 되었다. 이를 통해 소대회가 맥락 학습뿐만 아니라, 다른 일반 적인 치상회 의존적인 학습 들에서 중요한 역할을 한다는 것을 발견 하였다. 또한 전기 생리학 실험에서, 자유롭게 움직이는 쥐의 소대회에 있는 개별 신경세포들의 전기생리학적 활동을 관찰하여 보았을 때, 그것은 해마의 다른 곳에서 관찰되는 신경 세포들과 마찬가지로 장소 선택적인 발화 활동을 보인다는 것, 즉 장소 세포가 존재함을 발견하였으며 그것이 인접한 CA1 영역과 비교하였을 때 차이가 있음을 확인하였다. 또한, 소대회에서 발견되는 장소 세포를 쥐가 T 모양의 미로를 왕복하는 행동을 하는 동안 관찰 하였을 때, 이 장소 세포가 표상하는 위치가 주변 장면의 변화와 동기화 되어 변화 하거나 혹은 상관 없이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 나는 이러한 관찰을 토대로, 소대회가 인지적인 기능이 있다면, 이러한 특성이 치상회의 학습 능력에 도움을 줄 수 있지만 이미 학습한 것을 회상하는 데는 관여하지 않을 수 있음 설명하는 모델을 새롭게 제시 하였다. 이 연구의 중요성: 이 연구는 기존의 연구에서 상대적으로 소홀히 다루어진 소대회의 해부학적, 생리학적, 인지적 특성들에 대해 처음으로 밝히고 이것의 작동 기전에 관해 제시한 연구라는 점에서 기념비적인 연구라고 할 수 있다. 이러한 발견 및 새로운 모델의 제시는 해마의 구조 및 기능에 관한 이해를 넓혔다. 그 뿐 아니라 소대회가 손상된 쥐에서 전향성 기억상실증과 유사한 증상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 전향성 기억 상실증의 기존에 알려지지 않은 잠재적인 원인을 찾았다는 점에서, 이 원인으로 인한 병의 치료의 시작이 될 수 있는 연구이다. 또한 이 연구에서 새롭게 제시된 모델은 뇌모사 인공지능의 제작에 큰 영감을 불어넣을 것으로 예상된다.