Zwei Räume, zwei Karten
Nehmen Sie eine Ratte, die den Vormittag damit verbracht hat, eine runde Arena in einem Raum zu lernen. Tragen Sie sie den Flur hinunter, setzen Sie sie in eine zweite Arena, die fast identisch aussieht — gleiche Form, gleiche Größe, gleiche Vertiefungen —, und lassen Sie sie erkunden. Leiten Sie in beiden Räumen von denselben Neuronen ab. Die Zellen, die in der Nordostecke der ersten Arena feuerten, feuern in der Regel nicht in der Nordostecke der zweiten. Die meisten feuern an einem völlig anderen Ort. Manche verstummen. Ein paar beginnen zum ersten Mal an diesem Tag zu feuern. Der Hippocampus hat eine neue Karte gebaut.
Das nennt man Remapping, und es ist eine der verstörenderen Tatsachen über den hippocampalen Code. Zuerst berichtet wurde es 1987 von Muller und Kubie — verändert man Form oder Farbe der Ableitungsarena hinreichend, ordnen sich die Ortsfelder auf eine Weise neu, die keinen offensichtlichen Bezug zur ursprünglichen Anordnung hat. Die Beziehung zwischen den beiden Karten sieht über Tausende von Zellpaaren statistisch aus wie Rauschen. Dieselbe Population von Neuronen trägt zwei unabhängige Repräsentationen zweier Umgebungen, ohne gemeinsamen Bezugsrahmen zwischen ihnen.
Davon gibt es mildere Spielarten. Raten-Remapping — gleiche Felder, andere Feuerintensitäten — tritt auf, wenn man die Tapete ändert, aber nicht die Geometrie. Globales Remapping, die für die Experimente auf dieser Seite entscheidende Art, tritt auf, wenn die Ratte die beiden Umgebungen als grundverschiedene Orte behandelt. Das Kernmerkmal ist, dass die zweite Karte keine Störung der ersten ist. Sie ist ein eigenständiges Objekt, für sich angelegt und gepflegt.
Dieselben Zellen, andere Welten
Das Spielzeug unten ist die denkbar einfachste Demonstration. Sechs Neuronen leben über zwei Arenen hinweg. Klicken Sie in einen der Räume, um die Ratte dort abzusetzen, und ziehen Sie sie dann herum. Beobachten Sie, welches Neuron wo feuert. PC-01 hat ein Ortsfeld oben links in Raum A und ein weiteres unten rechts in Raum B — dieselbe Zelle, zwei unabhängige Orte. PC-03 feuert nur in Raum A; PC-05 feuert nur in Raum B. Echte Ableitungen zeigen all diese Muster.
The two boards share the same six neurons. Click into either room to put the rat there, then drag it around. Watch which cell fires where — the same neuron has a place field in Room A and an unrelated place field in Room B (and a couple of cells go silent in one room entirely).
Warum ist das für ein Experiment über Replay wichtig? Weil Remapping dem Replay einen Inhalt gibt, den man identifizieren kann. Verwendete jede Erinnerung denselben neuronalen Code, könnte man selbst im Prinzip nicht aus einer Feuersalve ablesen, welche Erinnerung gerade abgespielt wird. Remapping bricht diese Mehrdeutigkeit auf. Zwei Räume erzeugen zwei verschiedene Feuermuster; eine beliebige Spike-Salve lässt sich gegen jedes Muster prüfen; das besser passende Muster ist mit vernünftiger Zuversicht die Erinnerung, die das Gehirn gerade probt.
Diese eine Tatsache ist der gesamte Hebel des Closed-Loop-Designs. Trainieren Sie ein Tier in zwei Räumen, lassen Sie es schlafen, decodieren Sie jedes Replay-Ereignis in Echtzeit — und Sie können gezielt in eine Erinnerung eingreifen, während Sie die andere in Ruhe lassen. Die Kontrolle für „wir haben die Erinnerung an Raum A gestört“ ist praktischerweise die Erinnerung desselben Tieres an Raum B — abgeleitet von denselben Neuronen, am selben Tag gebildet, im selben Schlaf konsolidiert. Das Zwei-Raum-Paradigma ist keine Verzierung. Es ist die Kontrolle innerhalb desselben Tieres, die das Ergebnis überhaupt interpretierbar macht.
Das Cheeseboard
Die Arena selbst ist von Dupret und Kollegen entlehnt, die sie zur Untersuchung des räumlichen Gedächtnisses bei Ratten mit hippocampalen Ableitungen eingeführt haben. Es ist ein flacher runder Tisch, etwa anderthalb Meter im Durchmesser, in den einundachtzig flache Vertiefungen in einem Raster gebohrt sind. An einem gegebenen Tag sind drei dieser Vertiefungen mit einem kleinen Stück Futter bestückt. Die Ratte startet am Rand, läuft auf das Brett, schnüffelt umher, bis sie eine Belohnung findet, frisst, läuft zur nächsten und so weiter, bis alle drei geleert sind. Dann wird sie heruntergenommen, die Vertiefungen werden neu bestückt, und der Durchgang wiederholt sich. Innerhalb von zehn oder fünfzehn Durchgängen läuft eine gesunde Ratte von der Startposition direkt zu den belohnten Vertiefungen; innerhalb einer Sitzung hat sie ein räumliches Gedächtnis erworben, das spezifisch für dieses Brett in diesem Raum ist.
Entscheidend ist, dass die beiden Räume in diesem Paradigma keine subtilen Störungen voneinander sind. Sie unterscheiden sich in Beleuchtung, Wandmerkmalen, umgebendem Mobiliar, Umgebungsgeräuschen und der Person, die daneben steht. Aus Sicht der Ratte sind es kategorisch verschiedene Orte. Der Hippocampus antwortet entsprechend: Die Karten sind dekorreliert, die feuernden Populationen teilweise nicht überlappend, der „Raum-A-Code“ und der „Raum-B-Code“ statistisch unabhängig. Wenn die Ratte schläft und ein Raum-A-Replay-Ereignis auftritt, sieht es in keinem sinnvollen Sinn wie ein Raum-B-Ereignis aus. Genau diese Unterscheidbarkeit braucht der Closed-Loop-Decoder.
Die Form einer Sitzung
Ein typischer Ableitungstag durchlief sechs Phasen. Die Phasen unten sind nicht einzigartig für diese Arbeit — die Struktur ist für Schlaf-und-Gedächtnis-Experimente recht üblich —, aber die Zahlen und die Closed-Loop-Manipulation in der langen Ruhephase sind spezifisch für die Experimente auf dieser Seite. Ziehen Sie die Marke, um Schritt für Schritt durchzugehen.
Die interessante Arbeit passiert in zwei dieser Phasen. Die vierstündige Ruhephase ist die Zeit, in der Erinnerungen konsolidiert werden, in der Sharp-Wave-Ripples und Replay-Ereignisse zu Tausenden feuern und in der das Closed-Loop-System sein Zeitfenster hat. Der Test ist die verhaltensbezogene Auslesung: Hat die anvisierte Erinnerung nachgelassen? Hat die Kontrollerinnerung überlebt? Fast alles andere — der Kalibrierungspuls, die Basis-Ruhephase, die Ableitung nach der Aufgabe — existiert, um diese beiden Phasen interpretierbar zu machen.
Zwei Räume; zwei Karten; ein langer Schlaf dazwischen. Das nächste Kapitel handelt davon, was diese Karten tun, wenn das Tier die Augen schließt.