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Jul 03, 2023

La respirazione organizza la sincronia gamma nel prefronto

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 8529 (2023) Cita questo articolo 1439 Accessi 20 Dettagli di metriche altmetriche Molteplici operazioni cognitive sono associate all'emergere di gamma

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Molteplici operazioni cognitive sono associate all'emergere di oscillazioni gamma nella corteccia prefrontale mediale (mPFC), sebbene si sappia poco sui meccanismi che controllano questo ritmo. Utilizzando le registrazioni del potenziale di campo locale dei gatti, abbiamo dimostrato che esplosioni periodiche di gamma si verificano con regolarità di 1 Hz nella scia mPFC e sono bloccate nella fase di espirazione del ciclo respiratorio. La respirazione organizza la coerenza a lungo raggio nella banda gamma tra la mPFC e il nucleo riunito del talamo (Reu), collegando la corteccia prefrontale e l'ippocampo. Registrazioni intracellulari in vivo del talamo del topo rivelano che i tempi della respirazione sono propagati dall'attività sinaptica in Reu e probabilmente sono alla base dell'emergere di gamma burst nella corteccia prefrontale. I nostri risultati evidenziano che la respirazione è un substrato importante per la sincronizzazione neuronale a lungo raggio attraverso il circuito prefrontale, una rete chiave per le operazioni cognitive.

La corteccia prefrontale (PFC) è un hub anatomico che integra input provenienti da un insieme diversificato di strutture corticali e sottocorticali1. Gran parte dell'output della PFC è ricambiato1 con la notevole eccezione delle afferenze ippocampali2,3 per le quali non sono state trovate proiezioni dirette di feedback prefrontale. Il nucleo reuniens (Reu), una struttura talamica della linea mediana, fornisce un collegamento cruciale tra la PFC e l'ippocampo, formando una rete funzionale che media molteplici operazioni cognitive4,5,6. La sincronizzazione precisa e interregionale in questa rete è essenziale per i processi di memoria ed è ampiamente facilitata dalle oscillazioni che emergono durante diversi stati di coscienza7,8,9.

Il ritmo gamma (30–80 Hz), che è prominente nel cervello eccitato10, svolge un ruolo importante nella normale fisiologia11 e fisiopatologia12 della rete prefrontale. È stato costantemente collegato a funzioni di livello superiore come la coscienza13, l'attenzione14 e la memoria15,16, il che denota il suo ruolo fondamentale nelle funzioni corticali prefrontali11,17. La capacità della gamma di organizzare l'attività corticale è strettamente correlata al suo ciclo di 25 ms che fornisce una finestra ottimale per la coattivazione di più neuroni all'interno di cicli successivi, facilitando la formazione di complessi neuronali locali18,19.

Recentemente si sono accumulate prove che dimostrano che la respirazione è un potente modulatore dell'attività corticale e dell'ippocampo20,21,22,23,24. Nella corteccia cerebrale del roditore21,25,26 e del gatto27, la respirazione modula l'ampiezza gamma e suscita un ritmo corticale (RR) correlato alla respirazione, che tende ad essere più prominente nelle regioni frontali20,21,28. Non è noto come la respirazione organizzi la sincronia gamma nella rete prefrontale. È stato dimostrato che Reu media la sincronia gamma a lungo raggio tra la PFC e l'ippocampo29 e sembra essere necessaria per l'emergere di potenziali lenti nella PFC30 che sono probabilmente correlati alla respirazione31,32. Abbiamo quindi ipotizzato che i segnali respiratori trasmessi attraverso Reu organizzino la sincronia gamma nella rete prefrontale. Dati i drammatici cambiamenti nell’eccitabilità neuronale e l’emergere di diversi ritmi cerebrali attraverso gli stati di vigilanza, abbiamo inoltre ipotizzato che l’accoppiamento respirazione-gamma sia modulato dallo stato cerebrale.

Per studiare la dinamica della sincronia gamma nella rete prefrontale, abbiamo registrato potenziali di campo locale (LFP) da strati profondi del gatto mPFC, talamo della linea mediana e ippocampo ventrale in configurazione fissa alla testa (Fig.S1a e S1b supplementari). Gli animali hanno attraversato periodi di veglia tranquilla, movimento oculare non rapido (NREM) e movimento oculare rapido (REM) durante sessioni di 2-4 ore (Fig. supplementari S1c e S1d). Inoltre, abbiamo eseguito registrazioni intracellulari in vivo della linea mediana del talamo e della corteccia prefrontale in topi anestetizzati (Fig. 4 e Fig. S4a supplementare).