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Jul 03, 2023

호흡은 전두엽에서 감마 동시성을 조직합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8529(2023) 이 기사 인용 1439 액세스 20 Altmetric Metrics 세부 정보 다중 인지 작업은 감마의 출현과 연관되어 있습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8529(2023) 이 기사 인용

1439 액세스

20 알트메트릭

측정항목 세부정보

다중 인지 작업은 내측 전두엽 피질(mPFC)의 감마 진동의 출현과 관련되어 있지만 이 리듬을 제어하는 ​​메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 고양이의 국소 필드 전위 기록을 사용하여 우리는 웨이크 mPFC에서 1Hz 규칙성으로 주기적 감마 버스트가 재발하고 호흡 주기의 호기 단계에 고정되어 있음을 보여줍니다. 호흡은 mPFC와 전두엽 피질과 해마를 연결하는 핵 재결합 시상(Reu) 사이의 감마대에서 장거리 일관성을 구성합니다. 마우스 시상의 생체 내 세포 내 기록은 호흡 타이밍이 Reu의 시냅스 활동에 의해 전파되고 전두엽 피질에서 감마 버스트의 출현의 기초가 될 가능성이 있음을 보여줍니다. 우리의 연구 결과는 인지 작용의 핵심 네트워크인 전두엽 회로 전반의 장거리 신경 동기화를 위한 중요한 기질로서 호흡을 강조합니다.

전두엽 피질(PFC)은 다양한 피질 및 피질하 구조의 입력을 통합하는 해부학적 허브입니다1. PFC 출력의 대부분은 직접적인 전두엽 피드백 예측이 발견되지 않은 해마 구심성2,3을 제외하고는 왕복 운동1입니다. 정중 시상 구조인 재결합 핵(Reu)은 PFC와 해마 사이의 중요한 연결을 제공하여 여러 인지 작업을 중재하는 기능적 네트워크를 형성합니다4,5,6. 이 네트워크의 정확한 지역 간 동기화는 기억 과정에 필수적이며 다양한 의식 상태에서 나타나는 진동에 의해 크게 촉진됩니다7,8,9.

각성 뇌10에서 두드러지는 감마 리듬(30~80Hz)은 전두엽 네트워크의 정상적인 생리11 및 병태생리12에서 중요한 역할을 합니다. 이는 의식13, 주의력14, 기억15,16과 같은 더 높은 수준의 기능과 지속적으로 연결되어 있으며, 이는 전두엽 피질 기능11,17에서 근본적인 역할을 나타냅니다. 대뇌 피질 활동을 구성하는 감마의 능력은 연속적인 주기 내에서 여러 뉴런의 공동 활성화를 위한 최적의 창을 제공하는 25ms 주기와 밀접하게 관련되어 있으며, 이는 국소 뉴런 어셈블리의 형성을 촉진합니다.

호흡이 피질 및 해마 활동의 강력한 조절 인자임을 보여주는 증거가 최근 축적되었습니다20,21,22,23,24. 설치류21,25,26 및 고양이 대뇌 피질27에서 호흡은 감마 진폭을 조절하고 호흡 관련 피질 리듬(RR)을 유도하는데, 이는 전두엽 영역20,21,28에서 더 두드러지는 경향이 있습니다. 호흡이 전두엽 네트워크에서 감마 동시성을 어떻게 구성하는지는 알려져 있지 않습니다. Reu는 PFC와 해마 사이의 장거리 감마 동기화를 중재하고 호흡과 관련된 PFC30의 느린 전위 출현에 필요한 것으로 나타났습니다. 따라서 우리는 Reu를 통해 전달되는 호흡 신호가 전두엽 네트워크에서 감마 동시성을 구성한다는 가설을 세웠습니다. 신경 흥분성의 극적인 변화와 경계 상태에 따른 다양한 뇌 리듬의 출현을 고려하여 우리는 호흡-감마 결합이 뇌 상태에 의해 조절된다는 가설을 세웠습니다.

전두엽 네트워크에서 감마 동기의 역학을 연구하기 위해 우리는 머리 고정 구성에서 고양이 mPFC, 정중선 시상 및 복부 해마의 깊은 층에서 로컬 필드 전위(LFP)를 기록했습니다(보충 그림 S1a 및 S1b). 동물들은 2~4시간 동안 조용한 각성, 비급속 안구 운동(NREM) 및 급속 안구 운동(REM) 수면 기간을 순환했습니다(보충 그림 S1c 및 S1d). 또한 우리는 마취 된 마우스의 정중 시상과 전두엽 피질의 생체 내 세포 내 기록을 수행했습니다 (그림 4 및 보충 그림 S4a).