Differential functions of the dorsal and intermediate hippocampus in encoding place and its value

Abstract

오래전부터 해마는 자신의 경험, 즉 일화 사건의 기억에 필수적인 영역으로 알려져왔습니다. 이러한 일화 사건에는 특정 장소에서 겪은 감정적 경험들이 기억으로 저장됩니다. 이러한 일화 기억의 특성을 고려하면, 해마는 감정 정보를 처리할 가능성이 매우 높고, 실제로 중간 해마와 복측 해마는 편도체로부터 해부학적으로 직접 연결되어 있습니다. 또한 중간 해마는 배측 해마로부터 많은 공간 정보를 받아드린다고 알려져있습니다. 따라서 중간 해마는 장소의 위치와 그 장소에서 경험한 감정정보를 연합할 가능성이 높습니다. 하지만, 중간 해마의 이러한 장소-감정 연합 기억의 역할은 거의 알려지지 않았다. 그래서, 저는 중간 해매가 특정 공간에서 발생하는 사건의 가치를 저장하는데 중요하고, 배측 해마는 정확한 위치 정보를 표상하는데 중요하다는 가설을 세웠습니다. 이를 검증하기 위해 쥐의 배측과 중간 해마의 개별 뉴런을 동시에 리코딩하였으며, 선호도가 다른 먹이를 이용해 장소의 가치 정보를 변화시키는 실험을 진행했습니다. 이 학위 논문의 첫 파트에서는 쥐가 2차원 공간에서 자유롭게 돌아다닐 때의 배측부터 복측해마의 장소 세포가 어떻게 달라지는지 살펴보았습니다. 구체적으로, 중간해마보다 배측 해마에서 장소 선택적 활동이 더 강하게 나타났으며, 복측 해마에서는 장소 세포의 활동이 거의 관찰되지 않았습니다. 두번째 파트에서, 해마가 필요없는 간단한 과제에서 먹이의 가치가 바뀐 이후에, 배측과 복측 해마의 장소 세포의 공간 표상 변화를 살펴보았습니다. 주어진 공간에서 제공되던 맛있는 먹이가 맛없는 먹이로 바뀌고 나면, 중간 해마의 장소세포는 재빠르게 공간 표상을 재배열하게 됩니다. 하지만, 동일한 조작에서 배측 해마의 장소세포는 공간 표상을 일정하게 유지하였습니다. 마지막으로, 세번째 파트에서는 해마가 필요한 기억 과제에서 가치-의존적 공간 재배열을 추가적으로 알아보았습니다. T 모양의 미로에서 장소 선호 과제를 진행하는 동안, 중간 해마의 장소 세포는 맛있는 먹이가 나오는 공간을 집중적으로 표상하며, 이러한 집중된 표상은 맛있는 먹이의 위치가 바뀌어도 동일하게 관찰됩니다. 반면, 배측 해마 장소 세포의 공간 표상은 이러한 조작에 거의 영향을 받지 않습니다. 그리고 이 장소 선호 학습을 하는 동안, 배측 해마보다 중간 해마의 신경망 상태가 빠르게 변하는 모습을 보였습니다. 종합하자면, 위 결과들은 배측 해마와 복측 해마는 서로 다른 기능을 맡고 있다는 점을 보여줍니다. 즉, 배측 해마는 동물의 정확한 장소를 표상하는데 특화되어 있으며, 중간 해마는 장소와 그 가치 정보를 연합하는 역할을 맡고 있습니다. 이러한 발견은 중간 해마가 행동 선택과 밀접한 정보를 처리하며, 이러한 정보를 내측 전두엽을 통해 다른 뇌 영역과 소통하는 기능적으로 중요한 영역이라는 것을 시사합니다.

It has long been postulated that the hippocampus is vital for memorizing autobiographical episodic events. Because an episodic event often entails memories for certain places associated with their emotional and motivational significance, it is promising that the hippocampus processes spatial information in conjunction with its associated valence. Among the hippocampal subregions (i.e., dorsal, intermediate, and ventral), the amygdala, which plays key roles in processing valence information, sends direct axonal projection to the intermediate and ventral hippocampus. Also, there are extensive recurrent collaterals and associational projections (presumably spatial information) from the dorsal hippocampus to the intermediate hippocampus. Thus, the intermediate hippocampus may integrate emotional/motivational information in association with locational information. However, it is largely unknown that how the intermediate hippocampus process value-associated spatial information processing. Therefore, I hypothesized that encoding the value of an event at a specific location takes priority in the intermediate hippocampus, compared to the dorsal hippocampus, whose priority resides in representing the precise location of an animal, presumably in the cognitive map. To test this hypothesis, I simultaneously recorded single units from the dorsal and intermediate hippocampus while rats performed a battery of tasks in which the level of motivational significance of a place was controlled by foods with different palatability. In this dissertation of Chapter 1, I examined the changes in spatial firing patterns along the dorsoventral axis while rats foraged in an open field maze. Specifically, spatially selective firing was more eminent in the dorsal than in the intermediate hippocampus, and spatial signals were hardly observed in the ventral hippocampus. In Chapter 2, after changes in reward value during non-mnemonic tasks, differential global remappings of place cells were found between the dorsal and intermediate hippocampus. When more-palatable reward (i.e., sunflower seeds) were replaced with less-palatable one (Cheerios) in a given location, place cells in the intermediate hippocampus remapped immediately. In contrast, place fields recorded from the dorsal hippocampus maintained their spatial representations stably in the same manipulation. In Chapter 3, value-dependent remappings were further investigated in hippocampal-dependent tasks. During the place-preference task in the T-maze, place fields obtained from the intermediate hippocampus accumulated near the arm associated with more-preferred rewards, and overrepresented patterns shifted toward opposite arm after the locations of more-preferred and less-preferred rewards were reversed. However, spatial representations of place cells in the dorsal hippocampus were rarely affected by such manipulation. And, during the acquisition of the place-preference task, the ensemble network state in the iHP changed faster than that in the dHP. Taken together, our results suggest that there are functional segregations between the dorsal and intermediate subregions of the hippocampus. That is, the dorsal hippocampus is specialized in representing the animal's precise locations in the environment, whereas the intermediate hippocampus takes part in the integration of spatial information and its motivational values. These findings imply that the intermediate hippocampus is a functionally significant hippocampal subregion through which critical action-related information (i.e., spatial information from the dorsal hippocampus and emotional/motivational information from the amygdala) is integrated and communicated to the rest of the brain via the medial prefrontal cortex.