Investigating the role of dendrites in sparse representations in the hippocampus using computational models

Abstract

Memory formation, consolidation and recall are essential brain functions for ordinary life and these mnemonic processes are widely associated with hippocampus. Although hippocampus is a broadly studied brain region, both experimentally and computationally, the mechanisms underlie memory function remain a mystery. Hippocampus is widely hypothesized that involves in distinct mnemonic processes, such as pattern separation/completion and spatial encoding. Specifically, different regions accomplish the aforementioned tasks with dentate gyrus to be crucial for distinguishing overlapping memories, while CA1 subregion with spatial navigation and formation of the spatial map of the brain. Taking advantage of computational modeling, we implemented two different computational networks in order to reveal and study in-depth the mechanisms being key mediators during these functions. Our results indicate that sparsity is a key feature of dentate gyrus principal cells and we showed that various mechanisms could mediate this feature, such as the number of dendrites, the dendritic path-length as well as the mossy cells. In addition, we explored the role of each interneuron during spatial navigation. Our results show that each type of interneuron has a distinct role during place cell formation, with PV+ and VIP+/CCK+ basket cells being more critical. Our model generates a number of experimentally testable predictions that may lead to a better understanding of the physiological and pathological function of hippocampus.

Ο σχηματισμός, η αποθήκευση και η ανάκληση της μνήμης είναι απαραίτητες λειτουργίες του εγκεφάλου για την καθημερινή ζωή. Συγκεκριμένα, αυτές οι μνημονικές διαδικασίες συνδέονται ευρέως με τον ιππόκαμπο. Αν και ο ιππόκαμπος είναι μια πλήρως μελετημένη περιοχή του εγκεφάλου, τόσο σε πειραματικό επίπεδο όσο και με χρήση υπολογιστικών μοντέλων, οι ακριβείς μηχανισμοί που εμπλέκονται στη λειτουργία της μνήμης παραμένουν ένα άλυτο μυστήριο. Ο ιππόκαμπος υποτίθεται ότι εμπλέκεται σε μνημονικές διαδικασίες, όπως ο διαχωρισμός και η ολοκλήρωση προτύπων, καθώς και χωρική κωδικοποίηση. Συγκεκριμένα, διαφορετικές περιοχές του ιππόκαμπου παίζουν ρόλο στις προαναφερθείσες λειτουργίες. Ειδικότερα, η οδοντωτή έλικα έχει έναν πολύ σημαντικό ρόλο στη διάκριση παρεμφερών εξωτερικών ερεθισμάτων, ενώ η περιοχή CA1 βοηθάει στη χωρική πλοήγηση και στο σχηματισμό του χωροταξικού χάρτη του εγκεφάλου. Αξιοποιώντας την ισχύ που μας παρέχει η χρήση υπολογιστικών μοντέλων, υλοποιήσαμε δύο διαφορετικά δίκτυα προκειμένου να αποκαλύψουμε και να μελετήσουμε σε βάθος τους μηχανισμούς που αποτελούν τις βασικές μεταβλητές κατά τη διάρκεια αυτών των λειτουργιών. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι η αραιή ενεργοποίηση των κύριων κυττάρων της οδοντωτής έλικας αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό και δείξαμε ότι διάφοροι μηχανισμοί θα μπορούσαν να το επηρεάσουν αυξομειώνοντας το, όπως ο αριθμός των δενδριτών, το μήκος των δενδριτικών διαδρομών καθώς και άλλα δευτερεύοντα κύτταρα που βρίσκονται στην ίδια περιοχή του ιππόκαμπου. Επιπλέον, διερευνήσαμε το ρόλο του κάθε διαφορετικού τύπου ενδονευρώνα κατά τη χωρική πλοήγηση ενός ζώου σε μία ευθύγραμμη πίστα. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι κάθε είδος ενδονευρώνα διαδραματίζει έναν ξεχωριστό ρόλο κατά τη διάρκεια του σχηματισμού κυττάρων που ενεργοποιούνται σε συγκεκριμένα σημεία στο χώρο. Ειδικότερα, οι ανασταλτικοί νευρώνες που εκφράζουν είτε την PV+ είτε τις VIP+/CCK+ διαδραματίζουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο στην προαναφερθείσα διαδικασία. Τα υπολογιστικά μοντέλα μας έχουν οδηγήσει σε μια σειρά από προβλέψεις, οι οποίες αν επιβεβαιωθούν και πειραματικά θα μπορούσαν δυνητικά να οδηγήσουν στην καλύτερη κατανόηση της φυσιολογικής αλλά και της παθολογικής λειτουργίας του ιππόκαμπου.