Simultaneous electrophysiological recording and calcium imaging of hippocampal sharp wave-ripple from freely behaving mice and the application

Abstract

Various experiences occur in our daily life in diverse context, and among them, some experiences become a life-long memory while some are easily forgotten. Not only encoding of experiences, this phenomenon of memory selection is heavily dependent on the consolidation of memory. In the investigation of long-term memory formation, hippocampal SWR signal and its neuronal contents have been extensively studied using neuronal decoding analysis of electrophysiological signal to recognize SWRs in the neuronal signals. However, as this signal has low spatial resolution and hard to track neurons across time, it has been difficult to analyze the individual contribution of neurons to task-specific SWRs. In this work, I focused on the investigation of the hippocampal SWRs in spatial aspect not only in temporal aspect, and identification of cellular ensembles consisting of the activity to improve contents of consolidated memory by SWRs. To understand the composition of SWRs and its change by the environment in detail, I divided the research process into two parts. In the first part, to investigate individual hippocampal neuronal activity participating in SWRs activity, I developed a Microdrive array with tetrodes, that combines with UCLA miniscope, a 1-p calcium imaging device. This method enables us to observe SWRs activity not only populational electrophysiological manner, as well as individual cellular activity using calcium indicators from freely behaving animals. The acquired data show that a group of hippocampal neurons was identified to have increased activity on the onset of SWRs, while activities were found to be decreased when SWRs are disrupted. This result implies the potential contribution of individual neuronal activity in the memory consolidation process. In the second part, the calcium transient signals acquired from hippocampal neurons was compared by the environment of the animal. While animals are exploring two different environments, SWRs were detected in real-time and hippocampal neuronal activities were observed simultaneously. From the result, we found that different subsets of neurons are firing during SWRs depending on the environment of the animals, suggesting that SWR signals are collective signals of multiple neurons but their compositions are different by the contents of experience. This result has a potential to improve decoding accuracy when investigating replay contents and neuronal composition. Overall, this thesis covers comprehensive strides from the development of tools to analysis of scientific findings in search of neuronal constitution of memory engraved in the hippocampus.

우리의 일상 생활에서는 다양한 경험이 다양한 환경에서 일어난다. 그 중 일부는 평생 지속되는 강렬한 경험이 되기도 하고, 다른 경험들은 기억도 되지 못하고 쉽게 잊혀진다. 이러한 기억의 선택적 저장에는, 경험의 입력 과정(encoding) 뿐 만 아니라 경험의 강화 (consolidation) 과정도 큰 영향을 끼친다. 해마의 sharp wave-ripples (SWRs) 와 그 구성 뉴런들은 장기 기억의 형성 과정을 연구하는 데에 큰 비중을 차지해왔다. 특히 이 뉴런의 신호들은 전기생리학적 방식으로 기록되고 연구되었다. 그러나, 이러한 신호들은 뉴런의 위치에 대한 정보가 부족하고 장기간에 걸쳐 같은 뉴런을 인식할 수 없기 때문에, 특정 환경에서 일어나는 SWRs이 어떠한 뉴런으로 구성되어있는지 연구하는 데에는 어려움이 있었다. 이 논문에서는, 해마의 SWRs을 구성하는 뉴런들을 시간적 측면 뿐 만 아니라 공간적 측면에서도 관찰하여, SWRs로 인해 강화되는 기억을 구성하는 뉴런들을 식별하고자 하였다. SWRs의 구성과 환경에 따른 구성의 변화를 알아보기 위해, 본 연구는 아래의 두 부분으로 나누어 진행되었다. 첫번째 부분에서는 전기생리학적 방법과 칼슘 이미징 방법을 통해, 자유롭게 움직이는 생쥐의 해마에서 발생하는 SWRs을 두 가지 방법으로 기록하고, 그 신호에 따라 변화하는 뇌세포의 활동을 알아보고자 한다. 이를 위하여 살아있는 동물에서 실시간으로 전기신호를 측정할 수 있는 초소형 기구를 만들고, 이를 단광자 칼슘 이미징 장치와 결합시켰다. 이러한 방식을 통해 해마의 SWRs을 전기생리학적 방식과 칼슘 신호의 두 가지 방식으로 기록하였다. 기록 결과, 해마의 뇌세포들의 활동성이 SWRs이 시작됨에 따라 증가하는 것이 확인되었다. 반면, SWRs이 방해된 경우에는 해마 뇌세포의 활동성 증가가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는, SWRs을 구성하는 세포들이 기억 강화 과정에 영향을 미칠 수 있음을 암시한다. 두 번째 부분에서는, 해마 뉴런에서 얻어진 칼슘 신호들을 동물들의 실험 환경에 따라 비교하여 보았다. 동물들이 두 개의 다른 환경을 경험하고 있는 동안, 해마에서 발생하는 SWRs 신호가 실시간으로 기록되었다. 그 결과, 동물들이 처한 환경에 따라서, 서로 다른 해마 뉴런으로 구성된 그룹들이 SWRs을 구성하고 있다는 것을 발견하였다. 즉, 해마의 SWRs들은 여러 뉴런의 신호들로 이루어져 있으나 그 각각을 구성하는 뉴런은 경험의 환경에 따라 달라질 수 있음을 보여준다. 또한 이러한 결과는, 기억의 재생 (replay)과 그 구성 뉴런을 식별하기 위한 신호의 해독(decoding) 과정에서의 정확성을 높이는 데에 기여할 수 있음을 보여준다. 정리하면, 이 논문을 통하여, 해마에 저장되어 있는 기억을 구성하는 뉴런들을 식별하기 위한 실험 도구의 개발부터 그 결과 발견한 과학적인 내용의 분석에 이르기까지의 단계들을 포괄적으로 기술하고 소개하고자 한다.