On cross-frequency phase-phase coupling between theta and gamma oscillations in the hippocampus

Phase-amplitude coupling between theta and multiple gamma sub-bands is a hallmark of hippocampal activity and believed to take part in information routing. More recently, theta and gamma oscillations were also reported to exhibit phase-phase coupling, or n:m phase-locking, suggesting an important mechanism of neuronal coding that has long received theoretical support. However, by analyzing simulated and actual LFPs, here we question the existence of theta-gamma phase-phase coupling in the rat hippocampus. We show that the quasi-linear phase shifts introduced by filtering lead to spurious coupling levels in both white noise and hippocampal LFPs, which highly depend on epoch length, and that significant coupling may be falsely detected when employing improper surrogate methods. We also show that waveform asymmetry and frequency harmonics may generate artifactual n:m phase-locking. Studies investigating phase-phase coupling should rely on appropriate statistical controls and be aware of confounding factors; otherwise, they could easily fall into analysis pitfalls

Theta-phase modulates different high-frequency oscillations in the CA1 region of the hippocampus during both waking and rapid-eye movement sleep.

Recent evidence suggests that not only the brain rhythms per se, but also the interactions among them are involved in the execution of cognitive tasks, mainly those requiring selective attention, information transmission and memory consolidation. However, still little is known about the general characteristics of cross-frequency coupling (CFC) in several brain regions. In the present work, we aimed to characterize phase-amplitude CFC in the CA1 region of rats (n=9) during different stages of the sleep-wake cycle: wake (WK), slow-wave sleep (SWS), and rapid-eye movement sleep (REM). Local field potentials were recorded using multielectrode arrays implanted in the dorsal hippocampus for chronic neural recordings. Electrode positioning was verified by histological analysis of cresyl-stained brain sections. Phase-amplitude coupling was assessed by means of the comodulogram analysis, a CFC tool we have recently developed. Our results show that (1) each sleep-wake state contains characteristic patterns of phase-amplitude CFC that are robust across all animals studied. (2) The CFC patterns obtained during WK and REM are similar and characterized by theta-phase (5 – 10 Hz) modulation of multiple higher frequencies; on the other hand, comodulograms from SWS period exhibited a distinct pattern, characterized by the modulation of very fast oscillations (> 100 Hz) by delta-phase (0 – 4 Hz), consistent with the occurrence of sharp wave-ripple complexes. All these patterns were stable across electrodes and days. Interestingly, during WK and REM, our results indicate that (3) theta-phase modulation comprises two non-overlapping, circumscribed higher frequency ranges: oscillations in the high-gamma (HG, 60 – 100 Hz) frequency range and oscillations between 120 – 160 Hz, which were defined as high-frequency oscillations (HFO). Moreover, (4) theta-phase preferentially modulated more HG or HFO depending on the spatial position of the electrode, with a clear switching between one and another as a function of electrode location, which was also stable across days. Further analyses indicated that (5) electrodes exhibiting HG or HFO modulation during WK and REM can also be differentiated by other electrophysiological features, such as power spectrum, phase-relations, and SWS comodulograms. We argue that the HFO we observed, though presenting overlapping frequency range with ripple oscillations, are distinct from the latter, which only appear in periods of rest and sleep associated to sharp-wave complexes. Therefore, while characterizing the patterns of rhythmic interactions in different cognitive states, the present work also reveals novel hippocampal oscillations that could only be detected by the use of the new CFC tools. We speculate that the different amplitude-modulated bands correspond to different biophysical processes occurring in CA1: HFO would result from entorhinal synaptic inputs to CA1, and HG from CA3 inputs

Theta Phase Modulates Multiple Layer-Specific Oscillations in the CA1 Region

It was recently proposed that fast gamma oscillations (60--150 Hz) convey spatial information from the medial entorhinal cortex (EC) to the CA1 region of the hippocampus. However, here we describe 2 functionally distinct oscillations within this frequency range, both coupled to the theta rhythm during active exploration and rapid eye movement sleep: an oscillation with peak activity at ~80 Hz and a faster oscillation centered at ~140 Hz. The 2 oscillations are differentially modulated by the phase of theta depending on the CA1 layer; theta-80 Hz coupling is strongest at stratum lacunosum-- moleculare, while theta-140 Hz coupling is strongest at stratum oriens--alveus. This laminar profile suggests that the ~80 Hz oscillation originates from EC inputs to deeper CA1 layers, while the ~140 Hz oscillation reflects CA1 activity in superficial layers. We further show that the ~140 Hz oscillation differs from sharp wave--associated ripple oscillations in several key characteristics. Our results demonstrate the existence of novel theta--associated high-frequency oscillations and suggest a redefinition of fast gamma oscillations

Papel do hipocampo e do sistema cabinóide endógeno sobre a reconsolidação de memórias aversivas

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Neurofarmacologia da reconsolidação da memória

A aquisição e manutenção de informações sensoriais novas obtidas através da experiência, para uso posterior, requer um processo dependente do tempo envolvendo síntese protéica em estruturas encefálicas como o hipocampo. Esse processo de estabilização pós-aquisitiva de memórias é chamado de consolidação. Dependendo como a sessão de evocação é conduzida, porém, esse traço de memória pode ser desestabilizado e disparar um novo processo dependente de síntese protéica chamado de reconsolidação. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da inibição de síntese protéica e da modulação noradrenérgica, bem como da benzodiazepínica, sobre a reativação de uma memória aversiva. Para tanto, utilizamos um inibidor da transcrição protéica (DRB), um antagonista de receptores β-noradrenérgico (Propranolol) e um benzodiazepínico (Midazolam). Ratos Wistar machos foram treinados na Esquiva Inibitória com descida da plataforma (EI) por tentativa única (one-trial), reativados 24 horas após o treino e testados 24 horas mais tarde. Os resultados demonstram que: (1) o DRB foi capaz de inibir a memória apenas quando a sessão de reativação da EI continha ambos os estímulos, o condicionado e o incondicionado, confirmando a ocorrência do fenômeno da reconsolidação com esta tarefa; (2) o β-bloqueador propranolol foi capaz de inibir a reconsolidação dessa memória, mas apenas numa janela temporal em torno de 1 hora após a reativação; e (3) o agonista benzodiazepínico também foi capaz de inibir a reconsolidação, mas neste caso apenas um tempo foi estudado (imediatamente após a reativação). Conclui-se, portanto, que [a] a memória da tarefa de esquiva inibitória pode ser reativada e, ulteriormente, reconsolidada, que [b] tal processo, além de envolver síntese protéica, depende da modulação β-adrenérgica, possivelmente mediante a ativação de cascatas bioquímicas, como a via AMPc/PKA, disparadas pelo receptor β- noradrenérgico na fase tardia da reconsolidação, semelhante ao que ocorre durante a consolidação. Por fim, mostramos que [c] o aumento do tônus GABAérgico promovido pelo agonista benzodiazepínico foi capaz de inibir a reconsolidação também desta tarefa comportamental. Tais conclusões abrem portas para uma nova abordagem terapêutica ao tratamento de distúrbios envolvendo memórias mal-adaptativas, como o estresse pós-traumático, o qual se caracteriza em parte pela "re-experiência" subjetiva do evento traumático, e o papel da memória no abuso de drogas como a cocaína e a morfina

Neurofarmacologia da reconsolidação da memória

A aquisição e manutenção de informações sensoriais novas obtidas através da experiência, para uso posterior, requer um processo dependente do tempo envolvendo síntese protéica em estruturas encefálicas como o hipocampo. Esse processo de estabilização pós-aquisitiva de memórias é chamado de consolidação. Dependendo como a sessão de evocação é conduzida, porém, esse traço de memória pode ser desestabilizado e disparar um novo processo dependente de síntese protéica chamado de reconsolidação. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da inibição de síntese protéica e da modulação noradrenérgica, bem como da benzodiazepínica, sobre a reativação de uma memória aversiva. Para tanto, utilizamos um inibidor da transcrição protéica (DRB), um antagonista de receptores β-noradrenérgico (Propranolol) e um benzodiazepínico (Midazolam). Ratos Wistar machos foram treinados na Esquiva Inibitória com descida da plataforma (EI) por tentativa única (one-trial), reativados 24 horas após o treino e testados 24 horas mais tarde. Os resultados demonstram que: (1) o DRB foi capaz de inibir a memória apenas quando a sessão de reativação da EI continha ambos os estímulos, o condicionado e o incondicionado, confirmando a ocorrência do fenômeno da reconsolidação com esta tarefa; (2) o β-bloqueador propranolol foi capaz de inibir a reconsolidação dessa memória, mas apenas numa janela temporal em torno de 1 hora após a reativação; e (3) o agonista benzodiazepínico também foi capaz de inibir a reconsolidação, mas neste caso apenas um tempo foi estudado (imediatamente após a reativação). Conclui-se, portanto, que [a] a memória da tarefa de esquiva inibitória pode ser reativada e, ulteriormente, reconsolidada, que [b] tal processo, além de envolver síntese protéica, depende da modulação β-adrenérgica, possivelmente mediante a ativação de cascatas bioquímicas, como a via AMPc/PKA, disparadas pelo receptor β- noradrenérgico na fase tardia da reconsolidação, semelhante ao que ocorre durante a consolidação. Por fim, mostramos que [c] o aumento do tônus GABAérgico promovido pelo agonista benzodiazepínico foi capaz de inibir a reconsolidação também desta tarefa comportamental. Tais conclusões abrem portas para uma nova abordagem terapêutica ao tratamento de distúrbios envolvendo memórias mal-adaptativas, como o estresse pós-traumático, o qual se caracteriza em parte pela "re-experiência" subjetiva do evento traumático, e o papel da memória no abuso de drogas como a cocaína e a morfina

Desvendando oscilações hipocampais através de comodulações

Spectral analysis of extracellular electrophysiological recordings revealed that the brain electrical activity is often organized in rhythmic patterns, known as neuronal oscillations. Recently, it was discovered that oscillations of distinct frequencies are not independent, but can interact to each other. In the last two decades, several analysis tools were developed or incorporated from other fields to study cross-frequency coupling between neural oscillations. Neural oscillations are said to be coupled if there is a dependency between their features, such as phase, amplitude or frequency. Among them, phase – amplitude coupling is characterized by an increase in the instantaneous amplitude of one frequency band conditioned to the instantaneous phase of another frequency band, whereas n:m phase – phase coupling is characterized by a fixed relation between m cycles of one frequency to n cycles of another one. The hippocampus is a brain region involved in memory formation and spatial navigation. As in other brain structures, hippocampal neural networks generate several oscillatory patterns, which vary according to the stage of the sleep-waking cycle. Among these patterns, theta (4 – 12 Hz) and gamma (30 – 100 Hz) oscillations are prominent during active waking and REM sleep. However, the study of coupling patterns in the hippocampus has revealed distinct sub-types of oscillatory activity inside the traditional gamma band. Moreover, recent studies have shown the existence of even faster oscillations coupled to theta in the hippocampus (> 100 Hz), although there is a current divergence in the literature about whether they represent genuine network activity or spurious by-products from incomplete filtering of extracellular spikes. This thesis investigates oscillatory patterns generated by hippocampal neural networks, focusing in the coupling relation among oscillations of different frequencies. Using our own data and shared third-party ones of chronically implanted animals with multisite electrodes, we recorded electrical activity in the CA1 region of rats while exploring a familiar environment and during sleep stages. We investigated the existence of simultaneous but distinct oscillatory patterns in the hippocampus separated by electrophysiological, anatomic and behavioral markers, which, once taken together, can lead to a unique profile for each frequency band. Our results point to the existence of several frequency bands coupled to the hippocampal theta rhythm. All modulations are found to be separated by mechanisms that can potentially avoid interferences. We also demonstrate that a spurious oscillatory patterns can emerge and co-exist in the same frequency band of genuine oscillations and, contrary to recent work, we show that there is lack of evidence for n:m phase – phase coupling in the hippocampus. The capacity of neural oscillations to interact with one another raises questions about the biological significance of such phenomenon; despite recent progress in the field, however, its essence remains a mystery.Análises espectrais de registros eletrofisiológicos extracelulares têm revelado que a atividade elétrica produzida pelo cérebro é comumente organizada em padrões rítmicos, conhecidos como oscilações neuronais. Mais recentemente, descobriu-se que as oscilações neuronais de frequências distintas não são independentes, mas podem interagir entre si. Ao longo das últimas duas décadas, diversas ferramentas de análises foram desenvolvidas, amadurecidas e incorporadas de outras áreas para se estudar os chamados acoplamentos entre frequências de oscilações neuronais observadas nestes registros. Oscilações neuronais são ditas acopladas se houver uma relação de dependência entre suas características, como fase, amplitude ou frequência instantâneas. Dentre elas, o acoplamento fase-amplitude é caracterizado por um aumento da amplitude instantânea de uma banda de frequência condicionado a uma fase instantânea de uma oscilação de outra banda, enquanto que o acoplamento fase-fase do tipo n:m é caracterizado pela relação fixa entre m ciclos de uma frequência em nciclos de outra. O hipocampo é uma região cerebral envolvida na formação de memórias e navegação espacial. Assim como em outras estruturas, as redes neuronais do hipocampo produzem diversos padrões oscilatórios, que variam de acordo com os estados do ciclo sono-vigília. Entre estes padrões, classicamente destacam-se os ritmos teta (4-12 Hz) e gama (30-100 Hz), que caracterizam estados comportamentais de locomoção e sono REM. No entanto, o estudo dos padrões de acoplamento oscilatório no hipocampo tem revelado subtipos oscilatórios distintos dentro da definição tradicional da banda gama. Mais ainda, trabalhos recentes têm mostrado a existência de oscilações acopladas ao ritmo teta em frequências mais altas (>100 Hz), embora haja uma divergência na literatura atual sobre até aonde estas oscilações de altas frequências representariam atividade oscilatória genuína de redes neuronais ou se seriam derivadas de efeitos espúrios oriundos de contaminações por resquícios de potencias de ação registrados extracelularmente. A presente tese de doutorado visa contribuir para o maior entendimento dos padrões oscilatórios produzidos por redes neuronais do hipocampo, com particular foco nas relações de acoplamento entre oscilações de diferentes frequências. Através de dados próprios e compartilhados de terceiros de animais implantados cronicamente com matrizes de múltiplos eletrodos, obtivemos registros da atividade elétrica da região CA1 de ratos durante a exploração de ambientes familiares e períodos de sono. Investigamos a existência conjunta de distintos padrões oscilatórios do hipocampo em diferentes frequências através de marcadores eletrofisiológicos, anatômicos e comportamentais de cada oscilação neuronal que, quando combinados, levaram a um perfil único para cada banda de frequência. Nossos resultados mostram a existência de múltiplas bandas de frequência moduladas pelo ritmo teta hipocampal. As modulações são dotadas de diversos mecanismos separatórios, provavelmente de forma a minimizar interferências. Demonstramos ainda que padrões oscilatórios espúrios e genuínos podem co-existir numa mesma faixa de frequência, e que, ao contrário de trabalhos recentes, não há evidência para acoplamentos do tipo fase-fase n:m no hipocampo. A capacidade de uma oscilação neural interagir com outras oscilações, aparentemente independentes, levanta questionamentos naturais sobre sua significância biológica, que, apesar de diversos avanços na área, ainda permanece um mistério na sua essência