Grid cell dynamics in the medial entorhinal cortex

Abstract

Gittercelledynamikk i mediale entorhinal cortex Gittercelleaktivitet oppstår momentant når dyr beveger seg gjennom et miljø, og kan dermed være ansvarlig for hjernens posisjonsberegning. For å beregne avstand må gitterkoordinater være forankret og kalibrert til det eksterne miljøet. For eksempel, kan vi se at om det skjer forandringer i spatial kontekst, så responderer gittercelleensembler med koherente forandringer i gitterorientering og fase. Denne pålitelige koordinasjonen av nettverksaktivitet antyder at måten gittermønster dannes på kan ha opphav i en underliggende fiksert synaptisk konnektivitetsmatrise. I dette arbeidet har vi som målsetning å forstå dynamikken bak hvordan gittercelleaktivitet blir formet av eksterne sensoriske input og iboende nettverksegenskaper. I artikkel I viser vi at når dyr får lov til å bevege seg fritt mellom tidligere separerte rom, reorganiserer gitterfeltene seg raskt for å etablere periodisitet lokalt i det området der de to rommene tidligere delte en vegg. Samtidig, forblir de to originale gitterkartene forankret til tidligere etablerte forankringspunkter i periferien i det sammenkoblede rommet. Gitterfeltene etablerte seg i nye posisjoner på få sekunder etter at de to rommene ble sammenkoblet. Faseforholdet mellom komodulære gittercellepar forble det samme under integreringen av gitterkartene. Gittermønstrenes raske og koherente reorganisering antyder at kontinuerlig attraktordynamikk kan mediere integrasjonen av gitterkart. I artikkel II, viser vi at den temporale fyringskorrelasjonsstrukturen mellom gittercellepar ble vedlikeholdt under aktiv utforskning og søvn. Slik meget begrenset aktivitet er en av kontinuerlig attraktornetverkdynamikks signaturer. I tillegg, var fyringskorrelasjonene sterke innenfor gittermoduler og svake mellom gittermoduler, i overensstemmelse med tanken om at moduler danner distinkte attraktornetverk. Korrelasjonsstrukturen mellom hoderetningsceller og kombinerte gitter-hoderetningsceller ble bevart uavhengig av atferdstilstander, noe som indikerer et tett funksjonelt forhold mellom hoderetnings- og gittercellenettverk. I artikkel III viser vi at erfaring med vertikale grenser under utviklingen er nødvendig for å uttrykke stabile gittermønstre i nye miljøer. Rotter som vokste opp i opake sfærer uttrykte reduserte gridmønstre når de ble testet for første gang i et firkantet åpent rom. Til kontrast, forble hoderetnings- og grensecellene upåvirket. Disse observasjonene antyder at i sfærerotter kan posisjonsberegning i forhold til fikserte vertikale grenser være redusert. Når rottene fikk litt mer erfaring i utforskningen av rommet, økte stabiliteten til gittercelleaktiviteten, noe som indikerer at den observerte reduksjonen var plastisk og reversibel.

Summary Grid cell activity emerges instantaneously when animals move through an environment. Thus, it may be the neural substrate of path integration. To estimate distance travelled, grid coordinates need to be anchored and calibrated to the external environment. For example, ensembles of grid cells respond with coherent changes in grid orientation and grid phase to alterations in spatial context. This tight coordination of network activity suggests that grid pattern generation may be due to an underlying fixed, synaptic connectivity matrix. In the present work, we aim to understand how grid cell activity is dynamically shaped by external sensory input and intrinsic network properties. In paper I, we show that when animals are permitted to move freely between previously discontinuous enclosures, grid fields reorganize rapidly to establish local periodicity in the area where the two environments meet. At the same time, the two original grid maps remained anchored to the periphery of the merged enclosure. Grid fields were translocated within seconds after the two environments were merged. The phase relationship between pairs of co-modular grid cells was maintained during the integration of grid maps. Taken together, the fast and coherent reorganization of the grid pattern suggests that continuous attractor network dynamics may mediate the integration of grid maps. In paper II, we show that the temporal spiking correlation structure between pairs of grid cells was maintained during active exploration and sleep. Such highly constrained activity is a signature of continuous attractor network dynamics. In addition, spiking correlations were high within grid module and weak across grid modules consistent with the notion that modules form distinct attractor networks. The correlation structure between head direction cells and conjunctive grid-head direction cells was preserved across behavioral states indicating a tight functional relationship between the head direction and grid network. In paper III, we show that experience with vertical boundaries during development is necessary to express stable grid patterns in new environments. Rats raised in opaque spheres expressed impaired grid patterns when tested for the first time in a square open enclosure. In contrast, the head direction and border cell signal was unaffected. These observations suggest that in sphere rats path integration and estimation of distance travelled with respect to fixed vertical boundaries may be impaired. With extended exploration, the stability of grid cell activity increased indicating that the observed impairment was plasticity dependent and reversible.