Spatio-Temporal Credit Assignment in Neuronal Population Learning

In learning from trial and error, animals need to relate behavioral decisions to environmental reinforcement even though it may be difficult to assign credit to a particular decision when outcomes are uncertain or subject to delays. When considering the biophysical basis of learning, the credit-assignment problem is compounded because the behavioral decisions themselves result from the spatio-temporal aggregation of many synaptic releases. We present a model of plasticity induction for reinforcement learning in a population of leaky integrate and fire neurons which is based on a cascade of synaptic memory traces. Each synaptic cascade correlates presynaptic input first with postsynaptic events, next with the behavioral decisions and finally with external reinforcement. For operant conditioning, learning succeeds even when reinforcement is delivered with a delay so large that temporal contiguity between decision and pertinent reward is lost due to intervening decisions which are themselves subject to delayed reinforcement. This shows that the model provides a viable mechanism for temporal credit assignment. Further, learning speeds up with increasing population size, so the plasticity cascade simultaneously addresses the spatial problem of assigning credit to synapses in different population neurons. Simulations on other tasks, such as sequential decision making, serve to contrast the performance of the proposed scheme to that of temporal difference-based learning. We argue that, due to their comparative robustness, synaptic plasticity cascades are attractive basic models of reinforcement learning in the brain

Glutathione Restores the Mechanism of Synaptic Plasticity in Aged Mice to That of the Adult

Glutathione (GSH), the major endogenous antioxidant produced by cells, can modulate the activity of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) through its reducing functions. During aging, an increase in oxidative stress leads to decreased levels of GSH in the brain. Concurrently, aging is characterized by calcium dysregulation, thought to underlie impairments in hippocampal NMDAR-dependent long-term potentiation (LTP), a form of synaptic plasticity thought to represent a cellular model for memory

Brain Phenotype of Transgenic Mice Overexpressing Cystathionine β-Synthase

The cystathionine β-synthase (CBS) gene, located on human chromosome 21q22.3, is a good candidate for playing a role in the Down Syndrome (DS) cognitive profile: it is overexpressed in the brain of individuals with DS, and it encodes a key enzyme of sulfur-containing amino acid (SAA) metabolism, a pathway important for several brain physiological processes.Here, we have studied the neural consequences of CBS overexpression in a transgenic mouse line (60.4P102D1) expressing the human CBS gene under the control of its endogenous regulatory regions. These mice displayed a ∼2-fold increase in total CBS proteins in different brain areas and a ∼1.3-fold increase in CBS activity in the cerebellum and the hippocampus. No major disturbance of SAA metabolism was observed, and the transgenic mice showed normal behavior in the rotarod and passive avoidance tests. However, we found that hippocampal synaptic plasticity is facilitated in the 60.4P102D1 line.We demonstrate that CBS overexpression has functional consequences on hippocampal neuronal networks. These results shed new light on the function of the CBS gene, and raise the interesting possibility that CBS overexpression might have an advantageous effect on some cognitive functions in DS

Mecanismos de consolación motivacional de la plasticidad sináptica duradera:efectos del envejecimiento cerebral

Nuestros resultados han mostrado que la amígdala está implicada en el reforzamiento motivacional de la LTP y que este proceso depende de la síntesis de nuevas proteínas. Por otra parte, la norepinefrina administrada en dosis bajas fue suficiente para provocar la consolidación de una E-LTP en una L-LTP, en tanto la oxotremorina, un agonista colinérgico, no tuvo igual efecto. Los estudios por microdiálisis cerebral mostraron que la estimulación de la amígdala aumentó la liberación de acetilcolina en el giro dentado y redujo la de norepinefrina y serotonina. Sin embargo, el reforzamiento motivacional sólo redujo el glutamato y la glicina. Por último, hemos mostrado que el envejecimiento deteriora la potencialidad de consolidación de la E-LTP, tanto por estimulación de la amígdala basolateral, como por el estímulo emocional/motivacional. Además, los niveles basales de algunos neurotransmisores están reducidos en los animales envejecidos y ni la de estimulación de la amígdala ni el reforzamiento motivacional modificaron la liberación de ninguno de ellos, como ocurrió en los animales jóvenes. Nuestros hallazgos constituyen una contribución importante a la comprensión de los complejos mecanismos implicados en la interacción entre procesos afectivos y de plasticidad sináptica, y su deterioro con el envejecimiento

Mecanismos de consolación motivacional de la plasticidad sináptica duradera:efectos del envejecimiento cerebral

Nuestros resultados han mostrado que la amígdala está implicada en el reforzamiento motivacional de la LTP y que este proceso depende de la síntesis de nuevas proteínas. Por otra parte, la norepinefrina administrada en dosis bajas fue suficiente para provocar la consolidación de una E-LTP en una L-LTP, en tanto la oxotremorina, un agonista colinérgico, no tuvo igual efecto. Los estudios por microdiálisis cerebral mostraron que la estimulación de la amígdala aumentó la liberación de acetilcolina en el giro dentado y redujo la de norepinefrina y serotonina. Sin embargo, el reforzamiento motivacional sólo redujo el glutamato y la glicina. Por último, hemos mostrado que el envejecimiento deteriora la potencialidad de consolidación de la E-LTP, tanto por estimulación de la amígdala basolateral, como por el estímulo emocional/motivacional. Además, los niveles basales de algunos neurotransmisores están reducidos en los animales envejecidos y ni la de estimulación de la amígdala ni el reforzamiento motivacional modificaron la liberación de ninguno de ellos, como ocurrió en los animales jóvenes. Nuestros hallazgos constituyen una contribución importante a la comprensión de los complejos mecanismos implicados en la interacción entre procesos afectivos y de plasticidad sináptica, y su deterioro con el envejecimiento