It is known that in the process of memory formation for new experiences, neurons in many regions of the brain are activated. In particular, neurons of the CA1 area of the hippocampus are activated during memory formation when animal first observe a new context [1]. However, it is not quite clear how the activity of CA1 neurons changes during memory formation and retrieval. Moreover, the question remains what changes in neuronal activity are observed in old animals during memory formation and retrieval.
In our work, we investigated changes in the calcium activity of hippocampal CA1 neurons during the formation and retrieval of associative memory of the context model of context preexposure facilitation effect in young and aged mice.
Calcium activity of individual neurons was recorded using a miniature microscope (miniscope), which allows optical detection of active neurons through the fluorescence of the calcium sensor. For this purpose, the mice underwent stereotactic surgery in which the calcium fluorescent sensor NCaMP7 was injected into the CA1 area of the hippocampus [2]. Then, a 0.5-mm-diameter GRIN lens was implanted into the studied area, and miniscope mounts were placed on the mouse head. The experiment was performed one week after the surgery. On the first day, the procedure of pretraining was performed: the mice were placed in a new context for 5 minutes free exploration, as a result of which the mice formed a spatial perception of the context. Three days later, the mice were briefly placed in the same context and immediately received footshock for 2s (1.5mA). Thus, the previously formed perception of the context was associated with the animal's state of fear. We tested associative memory three days after shock application: mice were placed in the same context for 5 minutes.
A measure of formed associative memory was their level of freezing behaviour in the context. Young mice showed a low level of freezing on the first visit of the context. We also observed a low level of freezing in older mice on the first day of the experiment. At the same time, the retrieval of a previously formed memory significantly increased the level of the freezing in older mice, compared with the first day, indicating that this animal had formed an associative memory of the context. To analyze changes in calcium activity during memory formation and retrieval, we assessed changes in the level of neuronal activity in each individual animal freezing act. Calcium activity of individual CA1 area neurons was recorded during the first visit to the environment and during memory retrieval. In each mouse, about 20 neurons were recorded in the two groups under study in two sessions of the experiment. However, we did not find any significant changes in the number of active neurons in young and old animals at the moments of their fading into the environment.
The results indicate that the processes of associative memory formation and retrieval do not manifest themselves in changes in the number of active cells at the moment of the animal freezing behaviour. Possibly, the studied processes of memory formation and retrieval are reflected in other forms of brain activity, such as cognitive maps of the context, which represent a network of cognitively specialized neurons (place fields).
Известно, что в процессе формирования памяти о новом опыте у животного активируется нейроны во многих областях мозга. В частности, активируются нейроны области СА1 гиппокампа при формировании памяти о новой обстановке [1]. Но не вполне ясно как изменяется активность нейронов области СА1 при формировании и извлечении памяти. Кроме того, остаётся вопрос какие изменения в активности нейронов наблюдаются у животных пожилого возраста при формировании памяти, а также при её извлечении.
В нашей работе мы исследовали изменения кальциевой активности нейронов области СА1 гиппокампа при формировании и извлечении ассоциативной памяти об обстановке в модели усиления памяти предобучением у молодых и пожилых мышей.
Регистрацию кальциевой активности отдельных нейронов проводили с помощью миниатюрного микроскопа (минископа), позволяющего оптически детектировать активные нейроны благодаре флуоресценции кальциевого сенсора. Для этого мышам была проведена стереотаксическая операция, в рамках которой был введён кальциевый флуоресцентный сенсор NCaMP7 в область СА1 гиппокампа [3]. Затем в исследуемую область была вживлена GRIN-линза диаметром 0,5 мм, а на голове мыши устанавливали крепления для минископа. Эксперимент проводили через неделю после операции. В первый день проводили процедуру предобучения: мышей помещали в новую обстановку для знакомства с ней в течение 5 минут, в результате чего у мышей было сформировано пространственное представление об обстановке. Через три дня мышей кратковременно помещали в ту же обстановку и немедленно наносили электрокожное раздражение (ЭКР) в течение 2с (1,5мА). Таким образом сформированное ранее представление об обстановке было ассоциировано с состоянием страха животного. Тестирование ассоциативной памяти проводили через три дня после нанесения ЭКР: мышей помещали в ту же обстановку на 5 минут.
Мерой сформированной ассоциативной памяти у мышей являлся уровень их замирания в обстановке. Молодые мыши демонстрировали низкий уровень замираний в первый день посещения контекста. Также низкий уровень замираний мы наблюдали у пожилых мышей в первый день эксперимента. При этом, при извлечении сформированной ранее памяти значимо вырос уровень длительности замираний у пожилых мышей, в сравнении с первым днём, что говорит о том, что животные этой группы сформировали ассоциативную память об обстановке. Для анализа изменения кальциевой активности при формировании и извлечении памяти мы оценивали изменение уровня нейронной активности в каждом отдельном акте замирания животного. Кальциевая активность отдельных нейронов области СА1 была зарегистрирована при первом посещении обстановки и при извлечении памяти. У каждой мыши было зарегистрировано около 20 нейронов в двух исследуемых группах в двух сессиях эксперимента. При этом мы не обнаружили значимых изменений в числе активных нейронов у молодых и пожилых животных в моменты их замираний в обстановке.
Полученные результаты указывают на то, что процессы формирования и извлечения ассоциативной памяти не проявляются в изменении числа активных клеток в момент замирания животного. Возможно, исследуемые процессы формирования и извлечения памяти отражаются в иных формах активности мозга, таких как когнитивные карты обстановки, представляющие собой сеть когнитивно-специализированных нейронов (полей места).