Hebbian reverberations in emotional memory micro circuits

The study of memory in most behavioral paradigms, including emotional memory paradigms, has focused on the feed forward components that underlie Hebb’s first postulate, associative synaptic plasticity. Hebb’s second postulate argues that activated ensembles of neurons reverberate in order to provide temporal coordination of different neural signals, and thereby facilitate coincidence detection. Recent evidence from our groups has suggested that the lateral amygdala (LA) contains recurrent microcircuits and that these may reverberate. Additionally this reverberant activity is precisely timed with latencies that would facilitate coincidence detection between cortical and sub cortical afferents to the LA.Thus, recent data at the microcircuit level in the amygdala provide some physiological evidence in support of the second Hebbian postulate.

An organization of visual and auditory fear conditioning in the lateral amygdala

Pavlovian fear conditioning is an evolutionary conserved and extensively studied form of associative learning and memory. In mammals, the lateral amygdala (LA) is an essential locus for Pavlovian fear learning and memory. Despite significant progress unraveling the cellular mechanisms responsible for fear conditioning, very little is known about the anatomical organization of neurons encoding fear conditioning in the LA. One key question is how fear conditioning to different sensory stimuli is organized in LA neuronal ensembles. Here we show that Pavlovian fear conditioning, formed through either the auditory or visual sensory modality, activates a similar density of LA neurons expressing a learning-induced phosphorylated extracellular signal-regulated kinase (p-ERK1/2). While the size of the neuron population specific to either memory was similar, the anatomical distribution differed. Several discrete sites in the LA contained a small but significant number of p-ERK1/2-expressing neurons specific to either sensory modality. The sites were anatomically localized to different levels of the longitudinal plane and were independent of both memory strength and the relative size of the activated neuronal population, suggesting some portion of the memory trace for auditory and visually cued fear conditioning is allocated differently in the LA. Presenting the visual stimulus by itself did not activate the same p-ERK1/2 neuron density or pattern, confirming the novelty of light alone cannot account for the specific pattern of activated neurons after visual fear conditioning. Together, these findings reveal an anatomical distribution of visual and auditory fear conditioning at the level of neuronal ensembles in the LA.

Noise minimization in RC-active filters using generalized impedance converters

A procedure has been given for minimizing the total output noise of a Generalized Impedance Converter (GIC), subject to constraints dictated by signal handling capability of the Operational Amplifiers and ease of microcircuit fabrication. The noise reduction is achieved only by the adjustment of RC elements of the GIC, and the total output noise after optimization in the example cited is close to the theoretical lower limit. The output noise of a higher-order filter can be reduced by RC-optimizing the individual GIC's of the active realization. Experimental results on a 20–24 kHz channel bank band-pass filter demonstrate the effectiveness of the above procedure.

SEU ground and flight data in static random access memories

This paper presents the vulnerabilities of single event effects (SEEs) simulated by heavy ions on ground and observed oil SJ-5 research satellite in space for static random access memories (SRAMs). A single event upset (SEU) prediction code has been used to estimate the proton-induced upset rates based oil the ground test curve of SEU cross-section versus heavy ion linear energy transfer (LET). The result agrees with that of the flight data.

A Local Circuit Model of Learned Straitial and Dopamine Cell Responses under Probabilistic Schedules of Reward

Before choosing, it helps to know both the expected value signaled by a predictive cue and the associated uncertainty that the reward will be forthcoming. Recently, Fiorillo et al. (2003) found the dopamine (DA) neurons of the SNc exhibit sustained responses related to the uncertainty that a cure will be followed by reward, in addition to phasic responses related to reward prediction errors (RPEs). This suggests that cue-dependent anticipations of the timing, magnitude, and uncertainty of rewards are learned and reflected in components of the DA signals broadcast by SNc neurons. What is the minimal local circuit model that can explain such multifaceted reward-related learning? A new computational model shows how learned uncertainty responses emerge robustly on single trial along with phasic RPE responses, such that both types of DA responses exhibit the empirically observed dependence on conditional probability, expected value of reward, and time since onset of the reward-predicting cue. The model includes three major pathways for computing: immediate expected values of cures, timed predictions of reward magnitudes (and RPEs), and the uncertainty associated with these predictions. The first two model pathways refine those previously modeled by Brown et al. (1999). A third, newly modeled, pathway is formed by medium spiny projection neurons (MSPNs) of the matrix compartment of the striatum, whose axons co-release GABA and a neuropeptide, substance P, both at synapses with GABAergic neurons in the SNr and with the dendrites (in SNr) of DA neurons whose somas are in ventral SNc. Co-release enables efficient computation of sustained DA uncertainty responses that are a non-monotonic function of the conditonal probability that a reward will follow the cue. The new model's incorporation of a striatal microcircuit allowed it to reveals that variability in striatal cholinergic transmission can explain observed difference, between monkeys, in the amplitutude of the non-monotonic uncertainty function. Involvement of matriceal MSPNs and striatal cholinergic transmission implpies a relation between uncertainty in the cue-reward contigency and action-selection functions of the basal ganglia. The model synthesizes anatomical, electrophysiological and behavioral data regarding the midbrain DA system in a novel way, by relating the ability to compute uncertainty, in parallel with other aspects of reward contingencies, to the unique distribution of SP inputs in ventral SN.

Dendritic spikes in apical dendrites of neocortical layer 2/3 pyramidal neurons

Layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons are the most abundant cells of the neocortex. Despite their key position in the cortical microcircuit, synaptic integration in dendrites of L2/3 neurons is far less understood than in L5 pyramidal cell dendrites, mainly because of the difficulties in obtaining electrical recordings from thin dendrites. Here we directly measured passive and active properties of the apical dendrites of L2/3 neurons in rat brain slices using dual dendritic-somatic patch-clamp recordings and calcium imaging. Unlike L5 cells, L2/3 dendrites displayed little sag in response to long current pulses, which suggests a low density of I(h) in the dendrites and soma. This was also consistent with a slight increase in input resistance with distance from the soma. Brief current injections into the apical dendrite evoked relatively short (half-width 2-4 ms) dendritic spikes that were isolated from the soma for near-threshold currents at sites beyond the middle of the apical dendrite. Regenerative dendritic potentials and large concomitant calcium transients were also elicited by trains of somatic action potentials (APs) above a critical frequency (130 Hz), which was slightly higher than in L5 neurons. Initiation of dendritic spikes was facilitated by backpropagating somatic APs and could cause an additional AP at the soma. As in L5 neurons, we found that distal dendritic calcium transients are sensitive to a long-lasting block by GABAergic inhibition. We conclude that L2/3 pyramidal neurons can generate dendritic spikes, sharing with L5 pyramidal neurons fundamental properties of dendritic excitability and control by inhibition.

A dendrodendritic reciprocal synapse provides a recurrent excitatory connection in the olfactory bulb

Neuronal synchronization in the olfactory bulb has been proposed to arise from a diffuse action of glutamate released from mitral cells (MC, olfactory bulb relay neurons). According to this hypothesis, glutamate spills over from dendrodendritic synapses formed between MC and granule cells (GC, olfactory bulb interneurons) to activate neighboring MC. The excitation of MC is balanced by a strong inhibition from GC. Here we show that MC excitation is caused by glutamate released from bulbar interneurons located in the GC layer. These reciprocal synapses depend on an unusual, 2-amino-5-phosphonovaleric acid-resistant, N-methyl-d-aspartate receptor. This type of feedback excitation onto relay neurons may strengthen the original sensory input signal and further extend the function of the dendritic microcircuit within the main olfactory bulb.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Altered oscillatory dynamics of CA1 parvalbumin-basket cells during theta-gamma rhythmopathies of temporal lobe epilepsy

Recent reports in human demonstrate a role of theta– gamma coupling in memory for spatial episodes and a lack of coupling in people experiencing temporal lobe epilepsy, but the mechanisms are unknown. Using multisite silicon probe recordings of epileptic rats engaged in episodic-like object recognition tasks, we sought to evaluate the role of theta– gamma coupling in the absence of epileptiform activities. Our data reveal a specific association between theta– gamma (30 – 60 Hz) coupling at the proximal stratum radiatum of CA1 and spatial memory deficits. We targeted the microcircuit mechanisms with a novel approach to identify putative interneuronal types in tetrode recordings (parvalbumin basket cells in particular) and validated classification criteria in the epileptic context with neurochemical identification of intracellularly recorded cells. In epileptic rats, putative parvalbumin basket cells fired poorly modulated at the falling theta phase, consistent with weaker inputs from Schaffer collaterals and attenuated gamma oscillations, as evaluated by theta-phase decomposition of current–source density signals. We propose that theta– gamma interneuronal rhythmopathies of the temporal lobe are intimately related to episodic memory dysfunction in this condition.