Spontaneous Movements during Sleep Guide Spinal Self-organization: Formation and Expression of a Memory Trace

Abstract

During development, information about the three-dimensional shape and mechanical properties of the body is laid down in the synaptic connectivity of sensorimotor systems through adaptive mechanisms. In spinal reflex systems, this enables the fast transformation of complex sensory information into adequate correction of movements. In this thesis, it is shown, in a computer simulation, that an unsupervised correlation-based learning mechanism, guided by spontaneous muscle twitches, can account for the functional adaptation of the nociceptive withdrawal reflex system (NWR). This new learning principle was termed Motor-Directed Somatosensory Imprinting (MDSI). MDSI proved to be a highly efficient mechanism, far better than conventional Hebbian feedforward learning, and to be relatively independent on such parameters as learning rate and noise level. By developing and using a new fast optical analysis system for detection and classification of spontaneous movements, it was demonstrated that tactile feedback resulting from spontaneous muscle twitches indeed modifies sensorimotor transformation in young rats in a predictable manner. This learning occurs during “active sleep” which is similar to REM sleep in adults, indicating a novel role for sleep in learning and memory. A new analysis system for rapid imaging of receptive fields, termed RFI, was developed to characterize the differences between strong and weak connections in the NWR in adult rats. Connections of different strengths differed with regard to gain, onset latency and relative variability. These differences represent the preserved end product of MDSI. Neither the inhibitory input to NWR nor differences in glutamate receptors could explain the differences in strengths between strong and weak connections, although it became clear that NMDA receptors are important in setting the overall gain in nociceptive transmission. In conclusion, this thesis demonstrates for the first time, that spontaneous twitches during sleep, corresponding to human foetal movements, play a key role in spinal self-organization and tentatively suggests that this learning results in structural changes, such as elimination or pruning of erroneous connections, in the spinal circuits. Since a variety of spontaneous movements are present concomitant with the maturation of motor systems, it is conceivable that spontaneous movements reflect a general mechanism whereby motor systems are functionally adapted during development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Till ryggmärgen kommer känselinformation om vad som händer med kroppen. Denna information använder vi sedan för att kunna korrigera våra rörelser. Många av dessa korrektioner utförs mer eller mindre självständigt av nervkretsar belägna i ryggmärgen. Att snabbt omvandla dessa känselsignaler till muskelaktivitet är oerhört komplicerat och beräkningskrävande eftersom kroppens anatomi och biomekanik är mycket komplex. Det verkar som nervsystemets lösning på detta problem är att gradvis justera kopplingarna i ryggmärgen under utvecklingen så att information om de olika motoriska systemens funktion lagras in som mönster i förbindelserna mellan nervcellerna. I studierna i denna avhandling har vi undersökt hur inpräglingen går till och hur ett minnesspår i ryggmärgens kretsar sedan gestaltar sig hos den vuxne. Vi visar för första gången att en självtestande inlärningsprocedur förkommer tidigt i livet då ryggmärgen förmår att själv organisera sig i ett antal funktionella enheter - moduler - som var och en styr aktiveringen av en enskild eller ett fåtal muskler. Inlärningsprocessen bygger på spontanaktivitet i de olika nätverken och yttrar sig i fosterrörelser. På så vis får de olika motoriska kretsarna sensorisk information om sin egen funktion och kan med hjälp av denna information finstämma sina egna kopplingar. För bortdragningsreflexerna, vårt modellsystem, leder detta till allt mer precisa rörelsemönster, och att varje muskel aktiveras just från det hudområde som den mest effektivt drar bort. Under adaptationsprocessen försvagas eller elimineras inkorrekta förbindelser medan korrekta blir gradvis starkare. Hela denna inlärningsprocess äger rum hos fostret/barnet medan det sover. Det verkar som den här typen av sömn liknar det som ibland kallas drömsömn (REM-sömn) hos vuxna. Kanske tyder denna upptäckt på att en viktig funktion med sömn och drömmar är just att etablera minnesspår och därigenom befästa de minnen som vi samlat på oss under dagen. Vi har vidare studerat vilka egenskaper det etablerade minnet har hos den vuxne. För att förstå skillnaderna mellan starka och svaga förbindelser i bortdragningsreflexsystemet krävdes det att vi skapade ett system som snabbt och effektivt kan karaktärisera hur smärtsignalerna från huden omvandlas till rörelsemönster. Med hjälp av detta system har vi sedan kunnat studera kopplingarnas olika egenskaper i detalj. Det visade sig att betydande skillnader fanns med avseende på hur lång tid det tog för smärtsignalen att passera genom olika delar av smärtkretsen liksom hur mycket en signal förstärktes på vägen. Dessutom visade sig starka och svaga förbindelser ha olika grad av variabilitet i sin signaltransmission. Alla dessa faktorer utgör tillsammans de skillnader som karaktäriserar det minnesspår som lagrats för att möjliggöra adekvata motoriska svar på olika typer av smärtinflöde. I de farmakologiska experimenten gjordes ett fynd som kan tyda på att den gängse uppfattningen om vilka typer av jonkanaler som är viktiga för att ställa styrkan i de excitatoriska synapserna inte är korrekt. Två typer av jonkanaler är speciellt betydelsefulla för överföringen av aktiverande nervsignaler i dessa kopplingar, de benämns oftast med sina respektive förkortningar: AMPA och NMDA. Tvärtemot det vanliga synsättet så tycks det inte vara antalet AMPA-kanaler som avgör styrkan i en förbindelse utan antalet NMDA-kanaler. NMDA-kanaler har tidigare setts som viktiga för smärttransmissionen vid mycket kraftiga och upprepade smärtstimuleringar eller vid inflammatoriska tillstånd men inte vid normal fortledning av en smärtsignal. Våra fynd tyder på att NMDA-kanalerna i själva verket ställer förstärkningen i kretsen av en inkommande smärtsignal och därför är avgörande för hur kraftig den fortsatta responsen skall bli. Det är inte möjligt att avgöra om dessa NMDA-kanaler är fördelade på ett större antal förbindelser, så att det i realiteten blir antalet synapser som faktiskt skiljer mellan starka och svaga förbindelser eller om de är samlade i större synapser. Däremot verkar andelen AMPA- och NMDA-kanaler i alla synapser vara ungefär den samma, ett fynd som också det skiljer sig ifrån vad man tidigare funnit då man studerat odlade celler eller uttagna skivor av hjärnvävnad där man på konstgjord väg inducerat förstärkningar eller försvagningar av enskilda synapser.



Betydelse: Genom att studera de underliggande cellulära mekanismerna för dessa förändringar är det möjligt att få viktig information om hur ryggmärgens kretsar formas. Denna forskning ger också viktig insikt i hur minnen bildas och lagras i centrala nervsystemet. Med kunskap om processerna bakom den funktionella adaptationen av ryggmärgen som sker naturligt under utvecklingen finns också, potentiellt, möjlighet att utnyttja liknande strategier både i försök att återställa funktioner i den skadade ryggmärgen men också för att reglera ner smärtsignaleringen i vissa nervkretsar vid kroniska smärttillstånd.

• author: Petersson, Per
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Grillner, Sten
• organization: Neurophysiology (research group)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: Neurologi, neuropsychology, Neurology, long-term memory, somatosensory, receptive field, learning, sensorimotor, developmental, neurophysiology, neurofysiologi, neuropsykologi
• pages: 74 pages
• defense location: Segerfalksalen Wallenberg Neurocentrum
• defense date: 2003-09-20 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Petersson P., Waldenström A., Fåhraeus C. and Schouenborg J.”Spontaneous muscle twitches during sleep guide spinal self-organization”Nature (2003), 424, 72-75 Article: II. Petersson P., Holmer M., Breslin T., Granmo M. and Schouenborg J.”An imaging system for monitoring receptive field dynamics”J Neurosc Meth. (2001), 104/2, 123-131 Article: III. Petersson P., Granmo M. and Schouenborg J.”Characterization of connections in a sensorimotor circuit shaped through neonatalexperience”(manuscript)
• id: 3a057aca-4761-4489-a077-02e3829eb48d (old id 466034)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:21:52
• date last changed: 2018-11-21 20:58:19