Engram for the complex signals in the mouse brain: distinct neuronal ensembles for compound conditioning stimulus and its components

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Natural learning involves multiple sensory modalities receiving complex stimuli. Elemental learning theories suggest separate encoding and association of each component in a compound signal. Configural theories predict the formation of a representation of the entire complex signal, which is associated with the second event. We developed a mouse model of fear conditioning to a compound tone-light cue or its separate components to test these alternative theories. First, we investigated the memory dynamics of compound cues and their individual components and discovered that they mature at varying times following conditioning. We demonstrated that the memory of the components matures at different intervals after training: memory of the auditory stimulus and the auditory component of CCS is demonstrated behaviorally right after training, whereas memory of the light stimulus and the light component of CCS matures within three days. The memory of CCS, its components, and discrete conditioned stimuli persists for an extended period, up to one month. A similar dissociation was observed in extinction experiments, revealing that the extinction of memory for one CCS component did not affect the memory of the other component when the extinction procedure began a day after training. In addition, when the extinction procedure began seven days after training, while the memory was fully mature, the extinction of one component of contextual conditional stimuli led to the extinction of the other component. Next, c-Fos imaging was conducted to examine cellular activity across multiple brain regions, including the frontal, prelimbic, cingulate, retrosplenial, parietal, primary and secondary visual, primary and secondary auditory cortices, as well as the hippocampus and amygdala. This examination was performed following conditioning using either the entire compound cue or its individual components. We discovered different cortical activation patterns between compound-cue and single-cue conditioning. Conditioning to the compound cue activated prelimbic and frontal associative cortices, whereas single cues did not. Third, we demonstrated that retrieval of memory only through the entire compound cue, and not through single cues, activated the parietal cortex, primary visual cortex, mediolateral secondary visual cortices, and hippocampal CA1. Fourth, through in vivo two-photon imaging, we examined retrieval-induced c-Fos expression in the parietal cortex of fos-EGFP transgenic mice and identified at least three distinct neuronal populations with differential response specificity to the compound signal and its components. Taken together, our data suggest that intricate signals have the potential to establish both integral and elemental neuronal representations. These representations can be used separately in behavior and have different long-term memory dynamics.

Full Text

Natural learning involves multiple sensory modalities receiving complex stimuli. Elemental learning theories suggest separate encoding and association of each component in a compound signal. Configural theories predict the formation of a representation of the entire complex signal, which is associated with the second event. We developed a mouse model of fear conditioning to a compound tone-light cue or its separate components to test these alternative theories. First, we investigated the memory dynamics of compound cues and their individual components and discovered that they mature at varying times following conditioning. We demonstrated that the memory of the components matures at different intervals after training: memory of the auditory stimulus and the auditory component of CCS is demonstrated behaviorally right after training, whereas memory of the light stimulus and the light component of CCS matures within three days. The memory of CCS, its components, and discrete conditioned stimuli persists for an extended period, up to one month. A similar dissociation was observed in extinction experiments, revealing that the extinction of memory for one CCS component did not affect the memory of the other component when the extinction procedure began a day after training. In addition, when the extinction procedure began seven days after training, while the memory was fully mature, the extinction of one component of contextual conditional stimuli led to the extinction of the other component. Next, c-Fos imaging was conducted to examine cellular activity across multiple brain regions, including the frontal, prelimbic, cingulate, retrosplenial, parietal, primary and secondary visual, primary and secondary auditory cortices, as well as the hippocampus and amygdala. This examination was performed following conditioning using either the entire compound cue or its individual components. We discovered different cortical activation patterns between compound-cue and single-cue conditioning. Conditioning to the compound cue activated prelimbic and frontal associative cortices, whereas single cues did not. Third, we demonstrated that retrieval of memory only through the entire compound cue, and not through single cues, activated the parietal cortex, primary visual cortex, mediolateral secondary visual cortices, and hippocampal CA1. Fourth, through in vivo two-photon imaging, we examined retrieval-induced c-Fos expression in the parietal cortex of fos-EGFP transgenic mice and identified at least three distinct neuronal populations with differential response specificity to the compound signal and its components. Taken together, our data suggest that intricate signals have the potential to establish both integral and elemental neuronal representations. These representations can be used separately in behavior and have different long-term memory dynamics.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding sources. This work was supported by Non-Commercial Foundation for Support of Science and Education “Intellect”, the Interdisciplinary Scientific and Educational School of Moscow University “Brain, Cognitive Systems, Artificial Intelligence” and RSF project No. 23-78-00010, https://rscf.ru/project/23-78-00010/

×

About the authors

O. I. Ivashkina

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: oivashkina@gmail.com
Russian Federation, Moscow

K. A. Toropova

Lomonosov Moscow State University

Email: oivashkina@gmail.com
Russian Federation, Moscow

K. V. Anokhin

Lomonosov Moscow State University; Institute of Normal Physiology named after P.K. Anokhin

Email: oivashkina@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».