Neural correlates of visual scene memory dependent behavior in the subiculum

Abstract

어떠한 상황에 대해 판단하고 행동을 취해야 할 때, 우리는 대체로 주변 환경과 기억 속의 장면 정보를 활용한다. 해마와 해마이행부로 이루어진 해마체는 공간 기억과 일화 기억을 형성하는데 중요한 뇌 영역이므로, 해마체에서 시각 장면 정보가 어떻게 처리되는지 이해하는 것이 중요하다. 우리 연구실은 해마의 손상이 시각 장면 기억 과제의 수행 능력 저하를 일으킨다는 것을 보고한 바 있다. 또한 동일한 행동 과제에서 해마의 신경세포들이 장면 자극에 따라 발화율 변화를 보였다. 해마이행부의 손상 또한 과제수행력을 저해하였는데, 해마이행부의 신경 세포들이 장면 자극과 관련된 활성을 보이는지 검증한 연구 사례는 아직까지 없다. 해마의 신경 세포가 세밀한 공간 표상을 보이는 반면, 해마이행부는 비교적 넓고 연속적인 공간 표상을 보이기 때문에 많은 선행 연구에서 해마이행부의 세포 활성 패턴을 이해하는 데에 어려움을 겪었다. 그러나 해마이행부는 해마의 정보를 가장 먼저 전달받는 영역이므로, 해마이행부의 세포 활성을 이해하는 것은 장면 정보 처리의 이해에 핵심적이다. 이 연구에서는 해마이행부의 신경 세포 활성을 이해하기 위해 2가지 분석 방법을 시도하였다. 첫 번째는 과제와 관련된 주요 시점들을 사용하여 세포 발화율 패턴을 조직하는 분석법이며, 두 번째는 지역적인 쎄타 진동에 대한 발화상을 발화율과 결합하여 활성 패턴을 분석하는 방법이다. 결과적으로, 장면 정보는 해마와 해마이행부가 비슷한 정도로 표상하였다. 그러나 해마가 좁은 공간을 세밀하게 표상하는데 비해, 해마이행부는 과제구조적인 표상을 가지거나 넓은 공간을 단위화하여 표상한다는 것을 밝혔다. 본 연구는 해마이행부의 복잡한 세포 활성 패턴을 해석하는 새로운 분석 패러다임을 제시하였으며, 시각 장면 기억 과제에서 신경 세포 활성에 대한 해마와 해마이행부 간의 차이점을 규명함으로써 단순한 정보 전달 매개체가 아닌 해마이행부 고유의 역할을 제안하였다.

The hippocampal formation, the hippocampus and subiculum, is important for spatial memory as well as episodic memory both of which visual scene information plays critical roles. Our laboratory has reported that hippocampal damage induces impairment in a visual scene memory task. In the same task, neurons in the hippocampus show scene-dependent rate-remapping. Based on our prior results, damage in the subiculum also impairs performance in the task. However, the neural correlates of visual scene information processing in the subiculum are largely unknown. When analyzing neural spiking data from the subiculum using event rate map-based procedures, the neural activity in the subiculum was modulated by the scene stimulus. However, the firing rate-based analytical protocol might not be sufficient to capture the subicular neuronal functions because of the broad and continuous firing patterns of the subicular fields. To resolve such analytical issues, in the present thesis, subicular firing fields were spatially defined by their relationships with the local theta rhythm (i.e., theta phase precession). This phase-based method finds latent firing fields in the subiculum more efficiently compared to the conventional rate-based method. It is also confirmed that the subiculum represents scene information by rate-remapping as similarly as the hippocampus does. Putting together, visual scene information is robustly represented in both the hippocampus and subiculum when analyzed by different methods. However, more heterogeneous classes of firing fields are found in the subiculum than in its upstream region, CA1, in terms of their hypothesized functions as to representing specific location versus more chunked epochs of the task. Such critical differences may arise in the process of transforming the location-bound code of the hippocampus to more behavioral response-oriented code in its downstream structures including the subiculum.