The prefrontal cortex plays a crucial role in working memory, which is the system responsible for temporarily maintaining and manipulating information. The prefrontal cortex contains a complex network of interconnected excitatory and inhibitory neurons, but the specific roles of different neuron subtypes in supporting working memory are not yet fully understood. In this study, I examined the functions of three distinct subtypes of prefrontal cortical neurons in working memory and their modulation by dopamine. Firstly, I compared two major types of cortical projection neurons, intratelencephalic (IT) and pyramidal tract (PT) neurons, in the deep layer. I found that IT neurons convey stronger working memory signals than PT neurons, while PT neurons carry more temporal information during the delay period. These findings suggest that IT and PT neurons have different roles in the maintenance of working memory and tracking the passage of time, respectively. Secondly, I investigated the role of vasoactive intestinal polypeptide (VIP)-expressing neurons in working memory. I discovered that VIP neurons convey strong working memory signals and that VIP neuronal inactivation strongly impairs behavioral performance. This highlights the critical role of VIP neurons in working memory. Lastly, I explored the mPFC neural processes mediating dopamine effects on working memory. I discovered that selective knockdown of dopamine D1 receptors (D1R) in VIP neurons impairs behavioral performance, suggesting that VIP neurons are a critical mediator of dopamine effects on working memory. Additionally, dopamine release during the delay period was higher in contralateral-choice trials, and optogenetic stimulation of mPFC dopaminergic terminals increased the animal's contralateral choices. Furthermore, optogenetic dopaminergic stimulation disproportionately increased the contralateral-choice-related activity of VIP neurons. These findings suggest that dopamine might modulate working memory by altering the laterality of mPFC neuronal delay-period activity. Overall, this study reveals the cell type-specific neural processes that support working memory in the mPFC and how dopamine modulates these processes. As working memory is critical for many prefrontal cortical cognitive functions, these findings have broad implications for prefrontal cortical functions and malfunctions.
전전두엽 피질은 정보를 일시적으로 유지하고 조작하는 시스템인 작업 기억에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 전전두엽 피질은 흥분성 및 억제성 뉴런들이 서로 연결되어 복잡한 네트워크를 형성하고 있는데, 작업 기억을 유지하도록 돕는 다양한 뉴런 유형들의 구체적인 역할은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 이 연구에서 작업 기억에 필요한 전전두엽 피질의 세 가지 다른 뉴런 유형의 기능과 도파민의 역할을 확인하였다. 먼저 피질 투사 뉴런의 두 가지 주요 유형인 말뇌내 뉴런과 추체경로 뉴런을 심층층에서 비교했을 때, 말뇌내 뉴런이 추체경로 뉴런보다 더 강력한 작업 기억 신호를 전달하는 반면, 추체경로 뉴런은 지연 기간 동안 더 많은 시간적 정보를 전달한다는 사실을 발견했다. 이러한 발견은 말뇌내 뉴런과 추체경로 뉴런이 각각 작업 기억 유지와 시간 경과 추적에 대하여 서로 다른 역할을 한다는 것을 시사한다. 둘째, 작업 기억에서 바소액티브 인테스티날 펩타이드(VIP) 발현 뉴런의 역할을 조사했다. VIP 뉴런은 강력한 작업 기억 신호를 전달하며, VIP 뉴런을 억제하였을 때 행동 수행이 크게 손상되는 것을 확인했다. 이는 작업 기억에서 VIP 뉴런이 중요한 역할을 맡고 있음을 보여준다. 마지막으로 작업 기억에 대한 도파민 효과를 매개하는 mPFC 신경 과정을 탐구했다. VIP 뉴런에서 도파민 제1 수용체의 선택적 발현 저하가 행동 수행을 손상시킨다는 결과를 확인했고, 이는 VIP 뉴런이 작업 기억에 대한 도파민 효과의 중요한 매개체라는 것을 시사한다. 또한, 지연 기간 동안의 도파민 방출은 반대쪽 선택 실험에서 더 높았고, 전전두피질에 존재하는 도파민 뉴런 단자에 광유전학적 자극을 했을 때 동물의 반대쪽 선택이 증가되는 것을 확인하였다. 또한, 광유전학적 도파민 자극은 VIP 뉴런의 반대편 선택 활성을 불균형적으로 증가시켰다. 이러한 발견은 도파민이 전전두피질의 뉴런의 지연 기간 활성의 방향 정보를 변경하여 작업 기억을 조절할 수 있음을 시사한다. 전반적으로, 이 연구는 전전두피질에서 작업 기억에 필요한 신경세포 유형별 신경 과정과 도파민의 조절 방법을 보여준다. 작업 기억은 다양한 전전두피질 인지 기능에 중요하므로 이러한 연구 결과는 전전두피질 기능 및 오작동에 대한 광범위한 영향을 줄 것으로 보인다.
