Vagus nerve stimulation drives selective circuit modulation through cholinergic reinforcement

光遗传学 迷走神经电刺激 神经科学 神经调节 胆碱能的 心理学 生物神经网络 强化学习 记忆巩固 迷走神经 刺激 计算机科学 人工智能 海马体
作者
Spencer Bowles,Jordan Hickman,Xiaoyu Peng,W. Ryan Williamson,Rongchen Huang,Kayden Alecsandre Washington,Dane Donegan,Cristin G. Welle
出处
期刊:Neuron [Cell Press]
卷期号:110 (17): 2867-2885.e7 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.neuron.2022.06.017
摘要

Vagus nerve stimulation (VNS) is a neuromodulation therapy for a broad and expanding set of neurologic conditions. However, the mechanism through which VNS influences central nervous system circuitry is not well described, limiting therapeutic optimization. VNS leads to widespread brain activation, but the effects on behavior are remarkably specific, indicating plasticity unique to behaviorally engaged neural circuits. To understand how VNS can lead to specific circuit modulation, we leveraged genetic tools including optogenetics and in vivo calcium imaging in mice learning a skilled reach task. We find that VNS enhances skilled motor learning in healthy animals via a cholinergic reinforcement mechanism, producing a rapid consolidation of an expert reach trajectory. In primary motor cortex (M1), VNS drives precise temporal modulation of neurons that respond to behavioral outcome. This suggests that VNS may accelerate motor refinement in M1 via cholinergic signaling, opening new avenues for optimizing VNS to target specific disease-relevant circuitry.
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