Population codes in medial entorhinal cortex

Abstract

Populasjonskoder i mediale entorhinal korteks

Hjernebarken utfører kontinuerlig et velde av kompliserte funksjoner, hvis mekanismer vi kan tjene mye på å forstå. Nevrovitenskap er et relativt nytt fag, men med utrolig moment. Mye vites i dag om enkle nevroners egenskaper, men nevral komputering foregår i store trekk i interaksjonene mellom celler. Men på dette planet er det mange hindere som må overkommes; teknologisk nyvinning og konseptuell modning har ført til at nevrovitenskap gjennom de senere år har kunnet tilnærme seg spørsmal som fanger mekanismer på systemnivå. Hippokampus, som inneholder stedsselektive celler, utgjør et eksperimentelt system som tillater spørsmål om visse kjernemekanismer, slik som hukommelsesfunskjon og intern representasjonsdynamikk, uten streng ekpserimentell kontroll på innkommende og utgående signaler slik man baserer seg på i for eksempel sansenevrovitenskap. I hippokampusforskning er dyrets naturlige adferd en enorm ressurs. På grunn av den sterke tilknytningen til rom kan man ved å korrelere nevral aktivitet til dyrets adferd etablere svært robuste forhold mellom nevronenes aktivitet og funksjon på adferdnivå. Dette har ført til at hippokampusforskning har blitt en foregangsfront på innsamling av store datasett i dyr under normal adferd, samt tolkning av denne i adferdskontekst.

Et stort skritt mot å forstå hvordan stedsselektiviteten i hippokampus oppstår og brukes kom med funnet av gitterceller, celler som er aktive i et gittermønster som dekker hele miljøet. Vi vet mye om disse cellenes oppførsel på enkeltcellenivå, men på grunn av teknisk krevende innspillingsteknikk har det vært vanskelig å spille inn nok celler til å forstå hvordan disse kombinerer til en populasjonskode for rom. Denne hindringen har vi nå overkommet, og i første arbeid brukte vi nye teknikker for å spille inn store antall gitterceller innen dyr og viser at gittercellekartet er organisert i moduler, hver med sin egen kartgeometri. Vi viser hvordan disse modulene er fordelt i vevet, og utviklet nye analyser for å beskive modulenes egenskaper. Vi viser at gitterkart i forskjellige moduler inad i dyr ikke bare kan innta forskjellig geometriske former, men også utføre separate operasjoner samtidig på samme eksperimentelle manipulering. Dette er første bevis på slik uavhengig funksjon i gitterkartet, og foreslår hvordan stedsceller kan generere høykapasitetslagring av representasjoner for forskjellige miljø.

I andre arbeid beskriver vi hvordan en annen funksjonelt definert cellegruppe i entorhinal korteks fungerer på populasjonsnivå, denne gangen for celler som koder retning til dyret i forhold til miljøet. Vi viser at denne populasjonen har en topografisk fordeling langs samme akse i vevet som gitterceller utviser topografi, men at denne er kontinuerlig i motsetning til gitterkartets modulære fordeling.

I siste arbeid viser vi at miljøets geometri bestemmer hvordan gitterkartet ankres til det eksterne rom. Vi beskriver en universal ankringsstrategi som er optimal for å skape størst mulig forskjell mellom populasjonskoder for områder langs rommets grenser. Dette brukes kanskje til å forhindre sanseforvirring av gitterkartet i miljø med geometrisk ambiguøse segmenter.

Avhandlingen legger frem første beskrivelser av nevrale mekanismer på populasjonsnivå i entorhinal korteks, og gir flere innsikter i generell organisering av nettverkene som er involvert i stedssans og hukommelse

Current systems neuroscience has unprecedented momentum, in terms of both technological and conceptual development. It is crucial to study systems mechanisms and their associated functions with behavior in mind. Hippocampal and parahippocampal cortices has proved a highly suitable experimental system because the high level functions that are performed here, including episodic memory formation, are accessible through the clear readout of spatial behavior. Grid cells in medial entorhinal cortex (MEC) have been proposed to account for the spatial selectivity in downstream hippocampal place cells. Until now, however, entorhinal grid cells have only been studied on single cell– or small local ensemble level. The main reason for population studies lagging behind that of hippocampus is the technical difficulties associated with entorhinal implantation and recording.

Here we have overcome some of the main technical hurdles, and recorded unprecedented number of cells from distinct functional classes in MEC. We show in Paper 1 that the entorhinal grid map is organized into sub-maps–or modules–that contain grid cells sharing numerous features including spatial pattern scale, orientation, deformation and temporal modulation. We also demonstrate that grid modules in the same system can operate independently on the same input, raising the possibility that hippocampal capacity for encoding distinct spatial representations is enabled by the grid input.

We further show in Paper 2 that also head direction cells in entorhinal cortex distribute according to a functional topography along the dorsoventral axis. The head direction system, however, was not modular in contrast to the grid system.

Finally, Paper 3 details a common grid anchoring strategy shared across animals and environments. The grid pattern displayed a striking tendency to align to the cardinal axes of the environment, but systematically offset 7.5°. Through simulations, we show that this constitutes an optimal orientation of the grid to maximally decorrelate population encoding of environment border segments, providing a possible link to border-selective cells in the mechanisms that embeds internal representation of space into external frames of reference. These findings have implications for our understanding of entorhinal and hippocampal computations and add several new venues for further investigation.