Role of retrosplenial cortex in context discrimination and the underlying neuronal coding in mouse (mus musculus)
Creators: name: Sun, Weilun
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2020
Subjects: subject: Tierphysiologie
subject: 570

description: An organism’s ability to successfully navigate, assign value to behaviourally relevant locations, and later recall these critical environmental features, depends on a complex network involving interacting brain regions. The retrosplenial cortex (RSC) has emerged as a key region in this network as it densely interconnects with the hippocampal formation (HF), anterior thalamic nuclei (ATN), parahippocampal formation, and visual and entorhinal cortices (Kobayashi and Amaral, 2007; van Groen and Wyss, 1992a; Vann et al., 2009; Vogt and Paxinos, 2014). Although anatomical and behavioural studies strongly support the contribution of the RSC to integrative functions, it is elusive how it is implemented at the cellular level. Previous studies of single-cell activity in mammalian RSC have revealed that specific populations of RSC neurons encode spatial information (Alexander and Nitz, 2015; Czajkowski et al., 2014; Mao et al., 2018), demonstrate properties of head direction (HD) cells (Chen et al., 1994b; Jacob et al., 2016) or place cells (Mao et al., 2017), and can encode reward locations (Vedder et al., 2017) as well as reward history (Hattori et al., 2019). However, these studies were focused on specific cognitive dimensions and did not investigate the cellular basis of multidimensional integration in the RSC. In this thesis, I examined the role of the RSC in learning and memory processes using a context discrimination task established in a virtual reality (VR) environment where mice were trained to associate a water reward with a specific position in a particular context. Contextual discrimination was impaired when the RSC was chemogenetically perturbed during initial acquisition and reversal learning but not during recent memory recall. Using two-photon calcium imaging, I observed a large population of neurons that encoded information representing a specific context, the associated reward-value, and its visual features, namely, the pattern of dark-light transitions. Also, many RSC neurons encoded the speed and spatial position of the mouse in a context-dependent manner. Predominantly, the same RSC neurons simultaneously encoded context, position, and speed, and the proportion of such multidimensional encoding neurons increased after reversal learning. Taken together, the results in this thesis provide direct evidence that the RSC is essential for the formation of contextual memory but not necessary for the recall of the recent memory and suggest that RSC implements multidimensional encoding at the single-cell level, and this mechanism is involved in context value updating during reversal learning.
description: Die Fähigkeit eines Organismus, erfolgreich zu navigieren, verhaltensrelevanten Orten einen Wert beizumessen und diese wichtigen Umweltmerkmale wieder abzurufen, basiert auf einem komplexen Netzwerk interaktiver Gehirnregionen. Der retrospleniale Cortex (RSC) hat sich dabei als Schlüsselregion in diesem Netzwerk herausgestellt, da er sehr stark mit der hippocampalen Formation (HF), den anterioren Thalamuskernen (ATK), der parahippocampalen Formation sowie dem visuellen und entorhinalen Cortex verschaltet ist (Kobayashi and Amaral, 2007; van Groen and Wyss, 1992a; Vann et al., 2009; Vogt and Paxinos, 2014). Obwohl Anatomie- und Verhaltensstudien die Rolle des RSC bei den integrativen Funktionen stark unterstützen, ist noch unklar, inwieweit dies auf zellulärer Ebene zutrifft. Frühere Studien zur Einzelzellaktivität im RSC von Säugetieren haben gezeigt, dass spezifische Populationen an RSC-Neuronen räumliche Informationen kodieren (Alexander and Nitz, 2015; Czajkowski et al., 2014; Mao et al., 2018), Eigenschaften von Kopfrichtungszellen (Chen et al., 1994b; Jacob et al., 2016) oder Ortszellen (Mao et al., 2017) zeigen und Belohnungsorte (Vedder et al., 2017) sowie Belohnungshistorien (Hattori et al., 2019) kodieren können. Allerdings konzentrierten sich diese Studien auf spezifische kognitive Dimensionen und die zelluläre Grundlage der multidimensionalen Integration im RSC wurde nicht untersucht. In meiner Doktorarbeit habe ich die Rolle des RSC bei Lern- und Gedächtnisprozessen mittels einer Kontextunterscheidungsaufgabe in einer virtuellen Umgebung untersucht, bei der die Mäuse lernten, eine Belohnung mit einem bestimmten Ort in einem bestimmten Kontext in Verbindung zu bringen. Die Kontextunterscheidung war beeinträchtigt, wenn der RSC während des Ersterwerbs und beim Umlernen chemogenetisch gestört wurde, aber nicht während des Abrufs von Erinnerungen aus dem Kurzzeitgedächntis. Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie Kalziumbildgebung konnte ich eine große Neuronenpopulation beobachten, die Informationen mit einem spezifischen Kontext, den zugehörigen Belohnungswert und seine visuellen Merkmale, nämlich die Muster aus Dunkel-Hell-Übergängen, kodierten. Außerdem kodierten viele RSC-Neuronen die Geschwindigkeit und die räumliche Position der Maus kontextabhängig. Die gleichen RSC-Neuronen kodierten gleichzeitig Kontext, Position und Geschwindigkeit und der Anteil an diesen multidimensional kodierenden Neuronen nahm nach dem Umlernen zu. Zusammengefasst belegen die Ergebnisse in dieser Doktorarbeit, dass der RSC für die Bildung des kontextuellen Gedächtnisses aber nicht für den Abruf aus dem Neugedächtnis notwendig ist. Ferner legen die Ergebnisse nahe, dass der RSC auf Einzelzellebene multidimensional kodiert und dass dieser Mechanismus an der Aktualisierung des Kontextwertes während des Umlernens beteiligt ist.