Dissociable dopamine dynamics vir leer en motivering (2019)

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1235-y

Abstract

Die dopamienprojeksie van die ventrale tegmentale area (VTA) tot nucleus accumbens (NAc) is van kritieke belang vir motivering om te werk vir belonings en beloningsgedrewe leer. Hoe dopamien albei funksies ondersteun, is onduidelik. Dopaminsel spiking kan voorspellingsfoute, wat belangrike leerseine in rekenaarteorieë van aanpasbare gedrag is, kodeer. Daarenteen loop dopamienvrystelling op as diere belonings nader, wat die beloningsverwagting weerspieël. Hierdie wanverhouding kan die verskille in gedragstake, stadiger veranderinge in dopamien-sel-spiking of spike-onafhanklike modulasie van dopamien-vrystelling weerspieël. Hier vergelyk ons ​​die identifisering van geïdentifiseerde VTA-dopamienselle met NAc-dopamienvrystelling in dieselfde besluitnemingstaak. Aanduidings wat dui op 'n opkomende beloning, het beide die verhoog en die vrystelling verhoog. NAc-kern-dopamienvrystelling is egter ook gekombineer met dinamies ontwikkelende beloningsverwagtinge, sonder ooreenstemmende veranderinge in die VTA-dopamien-sel. Ons resultate dui op 'n fundamentele verskil in die manier waarop dopamienvrystelling gereguleer word om verskillende funksies te bereik: uitsaaiburse bevorder leer, terwyl plaaslike beheer motivering dryf.

Main

Dopamien is bekend verwant aan 'beloning' - maar hoe presies? Een funksie behels leer van onverwagte belonings. Kort stygings in dopamien-selontsteking koester beloningsvoorspellingsfoute (RPE's)1,2,3-Leer seine om toekomstige gemotiveerde gedrag te optimaliseer. Dopamien manipulasies kan leer beïnvloed asof hulle RPE's verander4,5,6, maar hulle beïnvloed ook gemotiveerde gedrag dadelik, asof dopamien seine die verwagting (waarde) beloon.5. Daarbenewens escalate NAc dopamine tydens gemotiveerde benadering, in ooreenstemming met dopamien kodering waarde7,8,9,10,11.

Met min uitsonderings2,12,13, Dopamienvuur met middelbrein is ondersoek tydens klassieke kondisionering in kop-vasgestelde diere3,14, in teenstelling met die voorkoms van dopamien. Ons het dus vergelyking met vrystelling onder dieselfde toestande vergelyk. Ons het VTA dopamienneurone geïdentifiseer deur optogenetiese kodering te gebruik3,13. Om NAc dopamien vrylating te meet, gebruik ons ​​drie onafhanklike metodes-mikrodialise, voltammetrie en die optiese sensor dLight15- met konvergente resultate. Ons primêre gevolgtrekking is dat alhoewel RPE-afgeskaalde VTA dopamien-spitsuitbarstings skielike veranderinge in dopamien vrystelling gee wat geskik is vir leer, afsonderlike NAc-dopamien-skommelinge wat met motivering geassosieer word, onafhanklik van VTA-dopamien-selontbranding ontstaan.

Dopamien spore motivering in sleutel loci

Ons het ratte opgelei in 'n operante 'bandiet'-taak5 (Fig. 1a, b). By elke proefneming het verligting van 'n neuspoortpoort ('Light-on') aanleiding gegee tot toegang ('Center-in'). Na 'n wisselende houperiode (0.5-1.5 s) het wit geraas ('Go cue') daartoe gelei dat die rot onttrek het ('Center-out') en 'n aangrensende poort ('Side-in') gesteek het. By beloonde proewe het hierdie Side-in-byeenkoms gepaard gegaan met 'n voedsel-hopper-klik wat die rot aangespoor het om 'n voedselpoort ('Food-port-in') te nader om 'n suikerpil te versamel. Keuses na links en regs is elk beloon met onafhanklike waarskynlikhede, wat soms sonder waarskuwing verander het. Wanneer rotte meer belonings ontvang, was hulle meer gemotiveerd om die taak te verrig. Dit was duidelik in hul 'latency' - die tyd tussen aansteek en sentrum-in-wat sensitief was vir die uitkoms van die voorafgaande paar proewe (Uitgebreide Data Fig. 1) en sodoende omgeskakel met beloningskoers (Fig. 1b).

Fig. 1: Dopamien-vrylating covaries met beloning koers spesifiek in NAc kern en ventrale prelimbic cortex.
figure1

a, Bandit-taak gebeure. b, Voorbeeld sessie. Boonste ry, beloon waarskynlikhede in elke blok (links: regs); ry twee, bosluise dui die uitslag van elke proef aan (lank, beloon; kort, onbeloon); ry drie, lek-integrator-skatting van beloningskoers (swart) en lopende gemiddelde latensie (siaan; omgekeerde logskaal); onderste ry, NAc kern dopamien in dieselfde sessie (monsters van 1 minuut). DA, dopamien. c, Top, mikrodialise plekke in mediale frontale korteks en striatum (sien ook Uitgebreide Data Fig. 1). n = 51 sonde van 12 rotte, elk met 2 mikrodialise-sondes wat tussen sessies verlaag is. Staafkleur dui op korrelasie tussen dopamien en beloningskoers. ACC, anterior cingulate korteks; dPL, dorsale prelimbiese korteks; vPL, ventrale prelimbiese korteks; IL, infralimbiese korteks; DMS, dorsale-mediale striatum. Middel, gemiddelde kruiskorrelogramme tussen dopamien en beloningskoers. Rooi stawe dui op 99% vertrouensinterval van geskommelde tydreekse. Onder, verwantskappe tussen neurochemikalieë en beloningskoers (veelvuldige regressie). NA, noradrenalien; 5-HT, serotonien; ACh, asetielcholien; GABA, γ-aminosmorsuur; Glu, glutamaat; NM, normetadrenalien; DOPAC, 3,4-dihidroksyfenielasynsuur; 3-MT, 3-metoksitiramien; HVA, homovanilliensuur; 5-HIAA, 5-hidroksiindoleazynsuur. d, Effek van blok oorgange op vergoedingskoers (links), latensie (middel) en NAc-kerndopamien (regs). Oorgange is geklassifiseer deur of die ervare beloningkoers toegeneem het (n = 25) of verminder (n = 33). Data is van al 14 sessies waarin NAc-kerndopamien gemeet is (een per rat, wat data uit nuwe en voorheen gerapporteerde kombinasies kombineer5 diere), en geteken as gemiddeld ± sem e, Saamgestelde kaarte van korrelasies tussen dopamien en beloningskoers (n = 19 rotte, 33 sessies, 58 ondersoekplasings). Breinbreine in hierdie figuur is met toestemming van Paxinos en Watson, 2005, weergegee51.

Ons het voorheen berig5 'n korrelasie tussen NAc dopamien vrylating en beloning koers, in ooreenstemming met die motiverende rol van mesolimbiese dopamien16. Hier het ons eers daarop gemik om vas te stel of hierdie verhouding deur die voorhoofse teikens waargeneem word, in ooreenstemming is met 'wêreldwye uitsending' van dopamien sein17, of is beperk tot spesifieke subregio's. Ons het verder veronderstel dat hierdie dopamien dinamika tussen striatum en korteks sal verskil, aangesien hierdie strukture afsonderlike dopamien opname-afbraakkinetika het18 en mag dopamien gebruik vir afsonderlike funksies19,20.

Met behulp van mikrodialise met hoë-prestasie vloeistofchromatografie-massaspektrometrie (HPLC-MS), het ons mediale frontale korteks en striatum ondersoek (Fig. 1c, Uitgebreide Data Fig. 1). Ons het 21-neurotransmitters en metaboliete gelyktydig met 1-min tydresolusie getoets en regressie gebruik om chemiese tydreekse met gedragsveranderlikes te vergelyk (Uitgebreide Data Fig. 2).

Ons het die verband tussen beloningsratio en NAc dopamien gerepliseer - in teenstelling met ander neurotransmitters (Fig. 1c, d). Hierdie verhouding is egter na NAc-kern gelokaliseer, en het nie in die NAc-dop of dorsale mediale striatum vasgehou nie. In teenstelling met ons hipotese, het ons 'n soortgelyke ruimtelike patroon in die voorste korteks waargeneem: dopamien vrystelling gekorreleer met die beloningskoers in die ventrale prelimbiese korteks, maar nie in meer dorsale of ventrale subregio's nie (Fig. 1c, e). Alhoewel dit onverwags is, het hierdie tweeling 'hotspots' van waarde-verwante dopamien-vrystelling 'n intrigerende parallel in menslike neuroimaging: bloed suurstofvlak afhanklike sein korreleer met subjektiewe waarde, spesifiek in NAc en ventrale mediale prefrontale korteks21.

VTA-afvuur is nie verwant aan motivering nie

Ons het die volgende aangespreek of hierdie motiveringverwante voorhoed dopamien voortspruit uit veranderlike afwissing van midbrain dopamien selle. Die NAc-kern ontvang dopamien-insette van laterale gedeeltes VTA (VTA-l)6,22,23. In kop-vaste muise het VTA-l dopamienneurone na berigte eenvormige, RPE-agtige antwoorde op gekondisioneerde stimuli3. Om VTA-l dopamien selle op te neem, het ons die VTA besmet met die adeno-geassosieerde virus (AAV) vir Cre-afhanklike uitdrukking van channelrhodopsin (AAV-DIO-ChR2) by rotte wat Cre rekombinase onder 'n tyrosienhidroksilase (TH) promotor uitdruk Metodes). Optrodes (Fig. 2a, b) aangeteken enkel-eenheid antwoorde op kort blou laser pulse (Fig. 2c, Uitgebreide Data Figs. 3, 4, Aanvullende Fig. 1). Ons het 27-geïsoleerde VTA-1-selle gevind met betroubare kortlatende spykers, en hulle geïdentifiseer as dopamienneurone.

Fig. 2: Aktiwiteit van geïdentifiseerde VTA dopamienneurone verander nie met beloningsyfer nie.
figure2

a, Links, optrode-skema met 16 tetrodes rondom die optiese vesel van ongeveer 200 µm. Regs, voorbeeld van optrode-plasing binne laterale VTA. Skaalbalk, 1 mm. Rooi, dopamien selmerker tyrosienhidroksilase; groen, ChR2 – EYFP; geel, oorvleuel. Vir uitgebreide gegewens, sien Fig. 3. b, VTA dopamien sel spykers. Rooi strepe dui op bespeurde bars en aantal spykers in elke uitbarsting (sien Metodes). Skaal, 0.5 s, 0.5 mV. c, Voorbeeld neuronreaksie op laserpulse van toenemende duur. d, Sessie-wye vuurkoers versus piekwydte (by half-maksimum) vir elke VTA-sel. Blou, gemerkte dopamien selle; pers, 'n duidelike groep van veronderstelde nie-dopamiene neurone. Insette, voorbeelde van gemiddelde golfvorms (negatiewe spanning opwaarts). eVuurtempo (blou; 1-min-asblikke) van 'n VTA-dopamienneuron tydens 'n bandiettaak. Latency (siaan) wissel met beloningskoers, maar skietkoers nie. f, Vuursnelheid vir alle VTA neurone (blou, dopamien, pers, nie-dopamien, grys, ongeklassifiseer) in lae versus hoë beloningsgraadblokke. Niemand het beduidende verskille getoon nie (Wilcoxon-getekende rangtoets met 1-min-bakkies, almal P > 0.05 na regstelling vir veelvuldige vergelykings). g, Gemiddelde kruis korrelasie tussen dopamien sel skiet en beloning koers toon geen beduidende verhouding. h, Analise van dopamien vuurpoed by blok oorgange (dieselfde formaat as Fig. 1d). n = 95 beloning verhoog, 76 neem af. i. Verdelings van inter-spike-intervalle (ISI's, links) en spike-uitbarstings (regs) is onveranderd tussen hoër en laer beloningsvlakke (Kolmogorov-Smirnov statistieke: ISI's, 0.138, P = 0.92; bars, 0.165, P = 0.63).

Alle dopamienneurone was tonies aktief, met 'n relatiewe lae afvuurtempo (gemiddeld 7.7 Hz, reeks 3.7-12.9 Hz; in vergelyking met alle VTA-l-neurone wat saam met dopamienselle aangeteken is P <0.001 Mannetjie-Whitney-toets met een stert). Hulle het ook langer vormspykgolfvorms gehad (P <5 × 10-6, een-ster-Mann-Whitney toets), alhoewel daar uitsonderings was (Fig. 2d), wat bevestig dat die golfvormduur 'n onvoldoende merker van dopamienselle in vivo is3,24. 'N Duidelike groep VTA-l neurone (n = 38, vanaf dieselfde sessies) met kort golfvorms en hoër afvuurtempo's (> 20 Hz; gemiddelde 41.3 Hz, reeks 20.1–97.1 Hz) het geen gemerkte dopamien selle ingesluit nie. Ons neem aan dat hierdie vinniger skietende selle GABAergies en / of glutamatergies is3,25, en verwys na hulle as 'nie-dopamien' hieronder.

Ons het dieselfde dopamien selle oor verskeie gedragstake aangeteken. VTA-l-dopamien-selle het sterk gereageer op ewekansige tydmatige voedselhopperkliek, en progressief minder sterk toe hierdie klieke meer voorspelbaar gemaak is deur voorafgaande leidrade (Uitgebreide Data Fig. 5). Dit is in ooreenstemming met kanoniese RPE-agtige kodering deur dopamien selle in Pavlovian take2,3,26.

Op grond van bewyse van verdoofde diere is voorheen aangevoer dat veranderde dopamienvlakke gemeet met mikrodialise voortspruit uit veranderinge in die toniese afvuur van dopamien selle27 en / of die verhouding van aktiewe teenoor inaktiewe dopamienneurone28. In die bandietaak was egter toniese dopamien-selontsteking in elke blok van proewe onverskillig teenoor die beloningskoers (Fig. 2e, g). Daar was geen beduidende verandering in die vuurspoed van individuele dopamien selle, of dié van enige ander VTA-l neurone, tussen hoër- en laerbeloningsblokke (Fig. 2f, h; sien ook ref. 29 vir ooreenstemmende resultate in kop-vaste muise). Daar was ook nie 'n algehele verandering in die tempo waarteen dopamien selle brandstene spykers uitsteek nie (Fig. 2i). Verder het ons nie enige dopamien selle waargeneem wat wissel tussen aktiewe en onaktiewe toestande nie. Die verhouding van tyd dopamien selle spandeer onaktief (lang inter-spike intervalle) was baie laag, en het nie verander tussen hoër en laer beloning blokke (Fig. 2i).

Die anatomie van die VTA-NAc dopamien projeksie is intensief ondersoek6,22,23, maar gegewe hierdie skynbare funksionele wanverhouding tussen vuur en vrylating - ons het bevestig dat ons van die korrekte gedeelte van die VTA opgeneem het. Klein inspuitings van die retrograde-spore cholera toksien B (CTb) in NAc-kern het daartoe gelei dat die TH-etikettering van TH+ neurone binne dieselfde VTA-l area as ons optrode opnames (Uitgebreide Data Fig. 3). Binne die benaderde opname sone, 21% van TH+ selle was ook CTb+, en dit is waarskynlik 'n onderskatting van die fraksie van NAc-kernprojekserende VTA-l dopamien selle, aangesien ons spore-inspuitings nie die NAc-kern heeltemal gevul het nie. Dus, ons voorbeeld van n = 27 gemerkte VTA-dopamien selle (plus baie meer ongemerkte selle) sluit NAc kernprojekerende neurone byna seker in. Uiteindelik het ons in 'n addisionele rat twee gemerkte VTA-l-dopamienselle aangeteken nadat AAV selektief in die NAc-kern toegedien is (Uitgebreide data Fig. 3). Beide retrograde besmette selle het skietpatrone wat in alle opsigte baie gelyk het aan die ander gemerkte dopamienselle, insluitend 'n gebrek aan toniese afvuurveranderings met wisselende beloningskoers (Aanvullende figuur 1). Ons kom tot die gevolgtrekking dat veranderinge in toniese VTA-l dopamien-selontbranding nie verantwoordelik is vir motiveringverwante veranderinge in die voorkoms van dopamien-vrystelling nie.

Opsporing van vrylating op verskeie tye

Laat NAc dopamien vrylating prys per se, soos voorgestel in sommige teorieë30, of is hierdie korrelasie gedryf deur dinamiese skommelinge in dopamien vrystelling wat te vinnig is om met mikrodialise op te los? Ons het aangevoer vir laasgenoemde moontlikheid op grond van voltammetrie data5, maar gesoek bevestiging met behulp van 'n onafhanklike mate van dopamien vrylating wat verskillende tydskaal kan span. Die dLight1-reeks van geneties-gekodeerde optiese dopamienaanwysers is ontwerp deur sirkelvormig gemuteerde GFP in dopamien D1 reseptore in te voeg.15. Binding van dopamien veroorsaak 'n hoogs spesifieke toename in fluorescensie (Fig. 3a). Ons het AAV ingevul in NAc om dLight1.1 (vier geverifieerde NAc-plasings van drie rotte) of die helderder variant dLight1.3b (ses geverifieerde NAc-plasings van vier rotte) uit te druk en fluorescensie deur vezelfotometrie te monitor. Ons het duidelike NAc-dopamienreaksies op Pavlovian-beloning-voorspellende aanwysings waargeneem, soortgelyk aan VTA-dopamien-selontsteking (Uitgebreide Data Fig. 5).

Fig. 3: Oorbruggingstye van dopamienmeting.
figure3

a, Fluorescentie reaksie van dLight1.3b. Inset, titrasies van dopamien (n = 15 belangstellingsgebiede (ROI's)) en noradrenalien (n = 9). Belangrikste figuur, neuro-oordragstowwe wat deur bad toegedien is (almal n = 12 ROI's). Syne, histamien. b, Voorbeeld bandiet sessie insluitend genormaliseerde NAc dLight1.3b sein (1-min bakkies). c, dLight sein verander met blok oorgange. n = 35 beloningskoers styg, 45 daal. d, Kruis-korrelasie tussen dLight en beloningkoers. e, Nader aansig van die skaduwee gedeelte van b. Pyle: swart, middel-neus-in; ligrooi, Side-in (beloon); ligblou, sy-in (onbeloon); donkerrooi, Voedselpoort (beloon); donkerblou, Food-port-in (onbeloon). Volgende rye: lek-integrator-skatting van beloningskoers dLig teen lae resolusie (1 min); dLig by hoë resolusie (50 Hz, groen; vyfpunt mediaan gefiltreer, swart); modeltoestandwaardes (siaan); en RPE's (magenta). Na verskeie onbeloonde proewe is die staat se waardes vroeg in die proef laag, en die beloning lewer 'n positiewe RPE en gepaardgaande skerp toename in dopamien. Opeenvolgende beloonde proewe verminder RPE's, maar verhoog die staatwaardes, vergesel van die opskudding van dopamien. f, Kort tydelike kruiskorrelasies toon noue verband tussen dLight en waarde, en kleiner verhouding tot RPE. g, Korrelasies binne die proefneming tussen modelveranderlikes en dLight met verskillende vertragings; korrelasie met beide waarde en RPE is die sterkste tot dLight ongeveer 0.3 s later. hIn alle sessies was maksimum korrelasie groter vir waarde as vir RPE of beloningkoers.

Vir die bandietaak het ons eers die dLight-sein in 1-min-bakkies ondersoek (Fig. 3b) ter vergelyking met mikrodialise. Ons het weer 'n duidelike verband gesien tussen NAc-dopamien-vrystelling en beloningkoers, in beide kruiskorrelasie en analise van blokoorgang (Fig. 3c, d). Ons het vervolgens nader ondersoek hoe hierdie verhouding ontstaan. Eerder as om stadig op 'n paar minute te wissel, het die dLight sein hoogs dinamiese skommelinge binne en tussen elke verhoor getoon (Fig. 3e). Ons het hierdie skommelinge vergelyk met oombliklike staatwaardes en RPE's wat geskat is uit 'n versterkings-leermodel ('n semi-Markov-besluit proses5). Soos voorheen gerapporteer met behulp van voltammetrie5, oomblik-vir-oomblik NAc dopamien het 'n sterk korrelasie met staatswaardes getoon (Fig. 3f), sigbaar as 'n verrassing binne die proewe wanneer belonings verwag is (Fig. 3e). Ons het ook oorgangsverhogings gesien met minder verwagte beloningaflewerings, in ooreenstemming met RPE (hieronder ondersoek). In elke dLight sessie het dopamien 'n sterker korrelasie met waardes getoon as óf RPE'e of beloningkoers (Fig. 3h, Uitgebreide Data Fig. 6). Korrelasies met beide toestandswaardes en RPE was maksimaal ten opsigte van die dLight sein ~ 0.3 s later, in ooreenstemming met 'n kort vertraging wat veroorsaak word deur neurale verwerking van aanwysings en sensor-reaksietyd (Fig. 3g; met voltammetrie, het ons 'n vertraging van 0.4–0.5 s gerapporteer)5.

Dopamien skiet verduidelik nie vrylating nie

Ons het volgende dopamien selontsteking vergelyk en rondom bandiet-taakgebeure vrygestel. Eksterne stimuli by Light-on, Go cue en beloon Side-in (food-hopper click) het elkeen 'n vinnige vuurverhoging veroorsaak (Fig. 4a). Hierdie response is waargeneem in die groot meerderheid dopamien selle (Fig. 4c), hoewel die relatiewe grootte van die reaksies op verskillende leidrade wissel van sel na sel (Aanvullende Fig. 1). Die NAc dLight-sein het ook vinnig en betroubaar gereageer op elk van hierdie belangrike aanwysers (Fig. 4b, c), in ooreenstemming met die ontploffing van dopamien selle wat dopamien vrylating verlaat.

Fig. 4: Phasic VTA dopamien skiet nie verantwoordelik vir NAc dopamien dinamika.
figure4

a, Gebeurtenisgerigte aktiwiteit van VTA-l dopamien selle. Top, spike rasters vir een verteenwoordigende sel; onderste, gemiddelde stygingskoers (n = 29). In alle panele dui foutbande ± sem aan b, Gebeurtenisgerigte NAc dLight. Top, verteenwoordigende sessie; onderste, gemiddelde (n = 10), genormaliseer tot piekbeloonde Side-in reaksie. Gedurende hierdie figuur word dLight-seine getoon relatief tot 'n 2-s 'basislyn' -tydperk wat eindig 1 s voor Center-in. Nota neem toe (pyle) kort voor Center-in en Food-port-in. c, Kumulatiewe verdelings van tyd geneem vir dopamien selle (soliede; n = 29), dLight (gestippel; n = 10), om na aanleiding van die aanvang te verhoog (shuffle-toets in vergelyking met die basislyn, 10,000 shuffles, P <0.01, veelvuldige vergelykings reggestel). Vir Light-on is slegs latensies <1 s ingesluit; vir slegs beloon proewe. Gemiddelde latensies (vanaf sigmoïede pasvorm): aansteek, skiet 152 ms, dLight 266 ms; Go cue, skiet 67 ms, dLight 212 ms; Kant-in, skiet 85 ms, dLight 129 ms. Nie-dopamien selle was tipies onverskillig teenoor aanvang (Uitgebreide data Fig. 8). d, Duidelike cue-geroep, benadering-verwante dopamien vrystelling. Top, gemiddelde dopamienselontbranding (n = 29); middel, gemiddelde dLight (n = 10); onderkant, voltammetrie (n = 6), genormaliseer tot 'n piek-kort-latency-aansteekreaksie. Linkerpanele, latencies <1 s, regs, latencies> 2 s. Data word gerig op lig-aan (solied) of middelpunt (gestippel); rooi stippellyn, mediaan latensie. Vir langer vertragings is daar geen toename in skiet naby Center-in nie, maar dLight en voltammetrie toon 'n duidelike toename. e, Scatter plot vergelyking van piek seine wat op Light-on in lyn gebring is (y as) of sentrum-in (x as). Vir elke sel dui sessies gekoppelde lyne data aan vir verskillende latensie-reekse (<1 s,> 2 s). Dopamien-afvuur (bo) toon konsekwent die aansteekreaksie vir kort-latency-proewe (tweerigting-variansie-analise (ANOVA), belyning × latensie-interaksie, F = 7.47, P = 0.0008). dLight (middel), voltammetrie (onder) seine is deurgaans beter in lyn met Center-in (tweerigting-ANOVA vir dLight: belyning × latensie-interaksie, F = 9.28, P = 0.0043). f, Dopamien neem toe tydens benadering, gekwantifiseer as hellinghoek (sien Metodes). Sirkels dui individuele dopamien selle aan (n = 29), dLight sessies (n = 10).

Ons het ook 'n duidelike toename in NAc-dopamien vrylating gesien, aangesien rotte die beginpoort (net voor die sentrum in) en die kospoort (net voor Food-port-in) genader het. Dit pas goed by die uitgebreide voltammetrie literatuur wat toon dat gemotiveerde benadering gedrag vergesel word deur vinnige toenames in NAc-kerndopamien5,7,8,9,10,11. Die VTA-l dopamien sel bevolking het egter nie op hierdie tye 'n ooreenstemmende toename in vuur vertoon nie (Fig. 4a; sien Uitgebreide Data Fig. 7 vir addisionele vergelykings, insluitende nie-dopamien selle).

Om cue-ontlokte, en benaderingsverwante, dopamienaktiwiteit beter te onderskei, het ons proewe geskei deur kort (<1 s) en lang (> 2 s) latency (Fig. 4d, e). Toename in dopamienselontsteking was konsekwent toegesluit by die aanvangsbeurt by Light-on, verkieslik vir kort-latency toetse. Alle 25 dopamien selle met 'n beduidende vuursnelheid neem toe nadat Light-on beter in lyn was met Light-on as Centre-in (Fig. 4e). In teenstelling hiermee was toenames in NAc-dopamien vrylating voor die middel-in onderskei van cue-gerookte dopamien vrystelling (Fig. 4d, e). dLight seine het konsekwent toegeneem voor die sentrum in lang latensie-toetse (tien uit tien sessies) en voor voedsel-in-in (nege uit tien sessies), sonder ooreenstemmende toenames in dopamienontsteking (Fig. 4f).

Ten slotte het ons oorweeg hoe gebeurtenisverwante dopamien seine afhang van die onlangse beloning geskiedenis. Gedurende die vroeë deel van elke verhoor was dopamienselontbranding nie afhanklik van beloningsyfer nie (Fig. 5a), ten spyte van die invloed van beloningskoers op motivering (Fig. 5b). Vervolgens was die fasiese reaksie op die beloningstoon by Side-in betroubaar sterker toe die beloningskoers laer was (Fig. 5a), in ooreenstemming met positiewe RPE kodering. Toe hierdie beloningskans weggelaat is, het dopamien selle geblus, maar die kodering van negatiewe RPE's was baie swakker of afwesig, of dit op bevolkingsvlak ondersoek is. (Fig. 5a, b) of as individuele selle (Uitgebreide data Fig. 8). Daar is vroeër voorgestel dat negatiewe RPE's gekodeer word tydens die duur van dopamienpouses31, maar dit is waargeneem in net 2 uit 29 individuele neurone. Soortgelyke resultate is behaal as die beloningverwagting op ander maniere geskat is, insluitend proefgebaseerde versterkingsleermodelle (akteur-kritikus en Q-leer) of bloot deur onlangse belonings te tel (Uitgebreide data Fig. 8).

Fig. 5: Beloningsgeskiedenis beïnvloed VTA dopamien selontsteking en NAc dopamien vrystelling anders.
figure5

a, Top, gemiddelde spoedkoers van dopamien selle (n = 29) in lyn gebring met Side-in, volgens beloningskoers (terciles, afsonderlik vir elke sel) bereken. Voor Side-in hang aktiwiteit nie af van die beloningsverwagting nie. Na Side-in word beloonde (rooi) en onbeloonde (blou) proewe afsonderlik getoon. Kos-klik-reaksie is sterker as die beloningskoers laag is, in ooreenstemming met die kodering van positiewe RPE's. Onderkant, fraksie van individuele dopamien selle met 'n skietkoers wat op elke oomblik aansienlik wissel met beloningskoers (shuffle test, P <0.01, veelvuldige vergelykings reggestel). Regmerkies bo-aan dui tye aan toe hierdie breuk beduidend hoër as die kans was (binomiaal, P <0.01). Na Side-in word slegs negatiewe korrelasies getoets - dit wil sê potensiële RPE-kodering. b, Regressie beelde vir sessies met aangetekende dopamien selle, wat die effek van onlangse beloning geskiedenis toon op (log-) latensie (bo) en dopamien spiking. Sterre dui op beduidende regressie gewigte (tToets, P <0.05). Gedurende die 0.5 s voor Go cue (terwyl rotte 'n bestendige neus moet handhaaf om te probeer om voort te gaan), word dopamienpikke nie beïnvloed deur die beloningsgeskiedenis (middel) nie. Dit verander sodra die uitslag bekend gemaak word (onder; die bepaling van die piek of trog aktiwiteit in die 0.5 s na Side-in), maar slegs vir beloonde proewe. c, d, Dieselfde as hierbo, behalwe vir dLight (genormaliseer om die kant-in-respons te piek). Dopamien vrylating betroubaar skale met beloning koers selfs voor Side-in.

Dopamien vrylating by Side-in het ook 'n duidelike, oorgangse kodering van positiewe RPE's getoon, maar nie van negatiewe RPE's nie (Fig. 5c, d). Hierdie dLight-respons was effens vertraag en verleng in vergelyking met afvuur, in ooreenstemming met die tyd geneem vir vrylating en heropname32, maar het 'n subkondens verskynsel gebly. Anders as afvuur, was dLight seine vroeg in elke verhoor egter groter as onlangse proewe beloon is (Fig. 5c), in ooreenstemming met waardekodering. Ons het hierdie afhanklikheid van die beloningsgeskiedenis waargeneem, selfs as die rot nie aktief beweeg nie, maar 'n neus in die middelste hawe gehou het terwyl ons op die Go-cue gewag het (Fig. 5d). Algehele, ons concludeer dat NAc dopamien vrylating weerspieël beide cue-uitgespreek antwoorde en beloning verwagting, en dat slegs die voormalige kan goed verantwoord word deur VTA-l dopamien sel afvuur.

Bespreking

VTA-l verskaf die oorheersende bron van dopamien aan die NAc-kern6,23,24. VTA-l dopamien selle, insluitende diegene wat na die NAc-kern projekteer, vertoon RPE-enkodering bars3,12. VTA-uitbarstings word beskou as veral belangrik vir die bestuur van NAc-dopamien32, en inderdaad, ons het bevind dat Cue-ontlokte VTA-uitbarstings deur NAc-vrystelling ooreenstem. Ons het egter ook waardeverwante patrone van NAc-dopamien vrylating gevind wat nie gegenereer is deur VTA-l dopamien selle af te skud, hetsy op lang (toniese) of kort (fasiese) tye. Ander dopamien subpopulasies mag verskillende seine hê13,33,34, en ons kan nie die moontlikheid uitsluit dat afvuur van dopamien-selpopulasies wat nie hiervandaan opgeteken is nie, waardeverwante dopamien in die NAc-kern lewer. Oor 'n wye verskeidenheid studies is daar egter nooit verslag gedoen oor waardeverwante afvuur vir enige dopamien selle nie. Ons resultate dui daarop dat NAc-dopamiedinamika op verskillende maniere, op verskillende tye en vir verskillende funksies, beheer word, en dat opname van dopamien selle belangrik is, maar nie voldoende is om dopamien seine te verstaan ​​nie.35.

Vrystelling van dopamien-terminale word sterk beïnvloed deur plaaslike, nie-spiking meganismes36,37,38,39,40. Byvoorbeeld, NAc-dopamien-vrystelling word gemoduleer deur die basolaterale amygdala, selfs wanneer VTA-spiking farmakologies onderdruk word.41,42. Daar is al dekades bekend dat plaaslike beheer van dopamien vrystelling funksies kan behaal wat verskil van dié van dopamien selspiking36,43, maar dit is nie opgeneem in teoretiese sienings van dopamien nie. Bepaalde striatale subregio's dra by tot verskillende tipes besluite en kan hul eie dopamien vrystelling volgens behoefte beïnvloed44. Daar moet nog vasgestel word hoe lokaal hierdie beheer van dopamienvrystelling kan wees. Een beperking wat gedeel word deur die drie maniere waarop dopamienvrystelling gemeet word, is dat hulle almal op 'n ruimtelike skaal van minstens 3 urn meet, terwyl in vivo mikroskopie daarop dui dat dopamienvrystelling op aansienlik kleiner skale heterogeen kan wees.15.

Ons resultate ondersteun nie die bestaan ​​van enige aparte toniese dopamien sein wat mededingende effekte van dopamien kan bemiddel nie. In plaas daarvan word dopamien skofte wat stadig vertoon word, stadig gemeet (met mikrodialise) in vinnige skommelinge opgelos indien dit vinnig gemeet word (met voltammetrie of dLight). Verder, opnames van geïdentifiseerde VTA dopamien selle deur onsself en ander30 Verskaf sterk bewyse teen die idee29 wat verander in toniese dopamien-selontsteking, dryf toniese veranderinge in dopamien vrystelling. Alhoewel toniese vuur kan verander word deur letsels of dwelm manipulasies28, is ons nie bewus van volgehoue ​​veranderinge in die skietkoers in enige gedragstaak nie. Vuurwerk kan afwaarts beweeg op 'n tydskaal van ongeveer 1 s tydens afwagting op motiverend relevante gebeure45,46. Hierdie afname is egter die teenoorgestelde van wat benodig word om dopamien vrylating met beloningsverwagting te versterk, en eerder vergelyk met 'n reeks voorlopige negatiewe voorspellingsfoute47. Alhoewel volgehoue ​​seine wat koöperatiewe loonkoers koördineer, kan berekenings nuttig wees30, bied dopamien eerder vinnig fluktuerende fout- en waarde seine. Dit bly moontlik dat volgehoue ​​seine by 'n volgende stap bereken word deur intracellulêre seinweë stroomaf van dopamienreseptore.

Baie groepe het waargeneem dopamien vrylating ramp as rats benadering belonings5,7,8,9,10,11, in ooreenstemming met die kodering van escalating beloning verwagtinge. Sommige het aangevoer dat hierdie dopamien-opritte net RPE's weerspieël, deur te veronderstel dat rotte óf vinnig die waardes vergeet48 of dat hulle 'n warped stel staatsvertoë het49. Laasgenoemde idee word nie ondersteun deur ons waarneming dat ramping vinnig van proef tot proef op die basis van opgedateerde beloningsverwagtings verander word nie, en word sterker binne 'n kort volgorde van opeenvolgende belonings terwyl RPE-agtige antwoorde op leidrade swakker word (Fig. 3e). Meer algemeen kan enige teorie waarin dopamien slegs RPE's (leerseine) dra, nie die baie goed gevestigde verband tussen voortgesette mesolimbiese dopamien en motivering kan verantwoord nie.16. Die NAc-kern is nie nodig vir hoogs opgeleide reaksies op gekondisioneerde stimuli nie, maar is veral belangrik wanneer besluit word om tydrowende werk te verrig om belonings te verkry.50. NAc-kerndopamien blyk 'n noodsaaklike dinamiese aanduiding te gee van hoe moeite dit is om tyd en moeite te gee om te werk5,44, alhoewel hierdie sein nie teenwoordig is in VTA-dopamien-selontbranding nie.

Metodes

diere

Alle diereprosedures is goedgekeur deur die Institusionele Komitees vir die gebruik en versorging van diere deur die Universiteit van Michigan of die Universiteit van Kalifornië in San Francisco. Mannetjiesrotte (300–500 g, óf wilde tipe Long-Evans óf TH-Cre+ met 'n Long Evans-agtergrond52) is op 'n omgekeerde 12: 12-lig: donker siklus gehandhaaf en in die donker fase getoets. Rotte was matig ontneem en ontvang 15 g van standaard laboratorium rat chow daagliks bykomend tot voedselbelonings wat tydens taakvertoning verdien is. Geen voormaat berekening van monstergrootte is uitgevoer nie. Die ondersoekers was nie blindelings vir toekenning tydens eksperimente en uitkomsbepaling nie.


Gedrag

Voorafoefening en toetsing is uitgevoer in rekenaarbeheerde Med Associates-operatorkamers (25 cm × 30 cm op die breedste punt), elk met 'n neusgatwand van vyf gate, soos voorheen beskryf5. Bandit-taak sessies het die volgende parameters gebruik: bloklengtes was 35-45-proewe, willekeurig gekies vir elke blok; hou tydperk voor Go cue was 500-1,500 ms (uniform verspreiding); Waarskuwings vir die linker-regter-beloning was 10, 50 en 90% (vir elektrofisiologie, fotometrie, voltammetrie en voorheen gerapporteerde mikrodialise rotte5) of 20, 50 en 80% (nuut gerapporteerde mikrodialise rotte).

Die huidige beloningsyfer is bereken deur gebruik te maak van 'n tyd-gebaseerde lekkende integreerder53. Beloningskoers is verhoog elke keer as 'n beloning ontvang is, en eksponensieel verval teen 'n koers wat deur die parameter gestel is τ (die tyd in s omdat die beloningsyfer afneem met ~ 63%, dit wil sê 1-1 / e). Vir alle ontledings, τ is gekies op grond van die gedrag van die rot, wat die (negatiewe) korrelasie tussen beloningsyfer en log (latensie) in elke sessie maksimaliseer. Die korrelasies tussen voorhoed dopamien en beloning koers was nie hoogs sensitief vir hierdie keuse van τ (Uitgebreide Data Fig. 1).

Om blokkeringstransaksies te klassifiseer as 'toenemende' of 'verlaag' in beloningspercentage, vergelyk ons ​​die gemiddelde lekkende-integratorbeloningsyfer in die laaste 5 min van 'n blok tot die gemiddelde beloningsyfer in die eerste 8-min van die volgende blok.

Rotte wat gebruik is vir elektrofisiologie en fotometrie, het ook 'n Pavloviaanse benaderingstaak uitgevoer, in dieselfde operasiekamer met die huislig gedurende die sessie. Drie ouditiewe leidrade (2 kHz, 5 kHz en 9 kHz) is geassosieer met verskillende waarskynlikhede van voedselaflewering (teenbalans tussen rotte). Aanduidings is gespeel as 'n reeks toonpunte (100 ms aan, 50 ms af) vir 'n totale duur van 2.6 s, gevolg deur 'n vertragingstydperk van 500 ms. Aanwysings en onvoorspelbare beloningsaflewerings is in 'n skynbare volgorde gelewer met 'n wisselende tussenverhoorinterval (15-30 s, eenvormige verspreiding).


Microdialysis

Chirurgie

Rotte is bilateraal ingeplant met gidskanules (CMA, 830 9024) in korteks en striatum. Een groep (n = 8) het een gidskanule ontvang wat gerig is op prelimbiese en infralimbiese korteks (anteroposterior (AP) +3.2 mm, medioateraal (ML) 0.6 mm relatief tot bregma; en dorsoventral (DV) 1.4 mm onder die breinoppervlak) en 'n ander wat op dorsomediale striatum en nucleus accumbens gerig is) in die teenoorgestelde hemisfeer (AP +1.3, ML 1.9 en DV 3.4). Beide inplantate was 5 grade van mekaar af langs die rostraal-kaudale vlak. 'N Tweede groep (n = 4) het een geleidingskanule ontvang wat op die voorste cingulêre korteks gerig is (AP +1.6, ML 0.8 en DV 0.8) en 'n ander gerig op accumbens (kern / dop in die teenoorgestelde halfrond by AP +1.6, ML 1.4 en DV 5.5n = 2) of AP +1.6, ML 1.9 en DV 5.7 (n = 2). Inplantaatkante is teen rotte gebalanseer. Diere is toegelaat om een ​​week te herstel voordat hulle heroplei.

Chemicals

Water, metanol en asetonitril vir mobiele fases was van Burdick & Jackson HPLC-gehalte, gekoop van VWR (Radnor). Al die ander chemikalieë is by Sigma Aldrich aangekoop, tensy anders vermeld. Kunsmatige serebrospinale vloeistof (aCSF) het bestaan ​​uit 145 mM NaCl, 2.68 mM KCl, 1.40 mM CaCl2, 1.01 mM MgSO4, 1.55 mM Na2HPO4 en 0.45 mM NaH2PO4, aangepas pH na 7.4 met NaOH. Ascorbiene suur (250 nM finale konsentrasie) is bygevoeg om oksidasie van analise te verminder.

Steekproef versameling en HPLC-MS

Op toetsdag is diere met die huislig in die operakamer geplaas. Pasgemaakte konsentriese poliakrylonitrilmembraan-mikrodialise probes (1-mm dialyserende AN69 membraan; Hospal) is bilateraal in die geleiderkanaal geplaas en deurlopend (Chemyx, Fusion 400) met aCSF by 2 μl / min vir 90 min geperfueer om ewewig te verseker. Na die 5-min-basislyn-versameling is die huislig uitgeblus, en die dier word aan bandit-taak beskikbaar gestel. Steekproefinsameling het 1-min tussenposes voortgesit en monsters is dadelik afgelei54 met 1.5 µl natriumkarbonaat, 100 mM; 1.5 µl bensoylchloried (2% (v / v) bensoylchloried in asetonitriel); en 1.5 µl isotopiese gemerkte interne standaardmengsel verdun in 50% (v / v) asetonitriel wat 1% (v / v) swaelsuur bevat, en gepik met deuterate ACh en cholien (C / D / N isotope) tot 'n finale konsentrasie van 20 nM. Voorbeeldreeksversameling het tussen die sondes met 30-s tussenposes in elk van 26 sessies gewissel, behalwe vir een sessie waarin 'n gebreekte membraan net een reeks tot gevolg gehad het (51 monsterreeks totaal). Monsters is geanaliseer met behulp van Thermo Scientific UHPLC stelsels (Accela, of Vanquish Horizon gekoppel aan 'n Quantum Ultra triple kwadrupool massaspektrometer toegerus met 'n HESI II ESI sonde), wat in veelvuldige reaksie monitering werk. Vyf mikroliter monsters is op 'n Phenomenex kern-dop bifeniel Kinetex HPLC kolom (2.1 mm × 100 mm) ingespuit. Mobiele fase A was 10 mM ammoniumformiaat met 0.15% mieresuur, en mobiele fase B was asetonitriel. Die mobiele fase het soos volg 'n elueringsgradiënt by 450 µl / min gelewer: aanvanklik, 0% B; 0.01 min, 19% B; 1 min, 26% B; 1.5 min, 75% B; 2.5 min, 100% B; 3 min, 100% B; 3.1 min, 5% B; en 3.5 min., 5% B. Thermo Xcalibur QuanBrowser (Thermo Fisher Scientific) is gebruik om pieke outomaties te verwerk en te integreer. Elk van die> 100,000 pieke is visueel geïnspekteer om behoorlike integrasie te verseker.

Analise

Alle neurochemiese konsentrasiedata is gladgemaak met 'n driepunt bewegende gemiddelde (y′ = [0.25 × (y−1) + 0.5y + 0.25 × (y+ 1)]) en z-telling genormaliseer binne elke sessie om vergelykings tussen sessies te vergemaklik. Vir elke teikengebied is 'n kruiskorrelogram vir elke sessie gegenereer en die gemiddelde van die sessies is opgestel. Een persent vertrouensgrense is vir elke subperseel gegenereer deur 100,000 0.05 keer een tydreeks te skuifel en 'n verspreiding van korrelasiekoëffisiënte vir elke sessie te genereer. Verskeie regressiemodelle is gegenereer met behulp van die regressiefunksie in MATLAB, met die neurochemiese as die uitkomsveranderlike en gedragsstatistieke as voorspellers. Regressiekoëffisiënte is beduidend bepaal op drie alfavlakke (0.0005, 0.000005 en 21), na Bonferroni-regstelling vir veelvuldige vergelykings (alfa / (7 chemikalieë × 9 streke × 3 gedragsregressors)). Vir die ontleding van blokoorgange is data in XNUMX minute tydperke ingeslote, wat die monster wat die oorgangstyd insluit, weggooi.


elektrofisiologie

Rotte (n = 25) is geïmplanteer met pasgemaakte rybare optrode, wat elk bestaan ​​uit 16 tetrodes (vervaardig uit 12.5 µm nichroomdraad, Sandvik) wat aan die kant van 'n 200 µm optiese vesel vasgeplak is en tot 500 urn onder die veselpunt strek. Gedurende dieselfde operasie het ons 1 µl AAV2 / 5-EF1a-DIO-ChR2 (H134R) -EYFP in die laterale VTA (AP 5.6, ML 0.8, DV 7.5) of NAc-kern (AP 1.6, ML 1.6, DV 6.4) ingespuit. . Breëband (1-9,000 30,000 Hz) brein seine is gemonster (80 XNUMX monsters per s) met behulp van Intan digitale hoofstadia. Optrode is aan die einde van elke opnamesessie minstens XNUMX µm verlaag. Individuele eenhede is vanlyn afgesonder deur 'n MATLAB-implementering van MountainSort55 gevolg deur noukeurige manuele inspeksie.

Klassifikasie

Om vas te stel of 'n geïsoleerde VTA-1-eenheid dopaminerge (TH+), het ons die stimulusverwante latentietoets gebruik56. Kortliks, aan die einde van elke eksperimentele sessie, het ons die optrode aan 'n laserdiode gekoppel en ligpulstreine van verskillende breedtes en frekwensies gelewer. Vir 'n eenheid wat as liggevoelig geïdentifiseer moet word, moet dit die betekenisvlak van P <0.001 vir 5-ms en 10-ms polstreine. Ons het ook die lig ontlok golfvorms (binne 10 ms vanaf die aanvang van die laserpuls) vergelyk met die sessiewydes; alle eenhede wat lig ontlok, het 'n Pearson-korrelasiekoëffisiënt van> 0.9. Dopamienneurone is suksesvol aangeteken van vier rotte met VTA-l AAV-infusies (IM657, 1 eenheid; IM1002, 3 eenhede; IM1003, 15 eenhede; IM1037, 9 eenhede) en een rot met NAc-kern AAV (IM-1078, 2 eenhede) . Piekwydte is gedefinieer as die volle-breedte-tot-half-maksimum van die mees prominente negatiewe komponent van die uitlyn, gemiddelde spitsgolfvorm. Nie-gemerkte VTA-neurone met 'n sessieskyfsyfer van> 20 Hz en 'n piekwydte <200 µs is as nie-dopamien selle geklassifiseer. Om te verseker dat ons dopamien- en nie-dopamien selle in dieselfde substreke vergelyk, het ons slegs nie-dopamien selle wat tydens sessies aangeteken is, met minstens een opties gemerkte dopamien sel ontleed.

Analise

Spike bursts is opgespoor deur die konvensionele '80 / 160 template' benadering57: elke keer as 'n interspike-interval van 80 ms of minder voorkom, word hierdie en daaropvolgende spikes as deel van 'n burst beskou, totdat daar 'n interval van 160 ms of meer is. Vir die vergelyking van 'toniese' vuur om die beloningskoers te gee, is dopamien-spykers in 1-min-asblikke getel. Om vinniger veranderinge te ondersoek, is die funksies van die digtheid van die pyle gekonstrueer deur spitstreine met 'n Gaussiese kern met variansie 20 ms saam te draai. Om vas te stel hoe vinnig 'n neuron op 'n gegewe aanduiding reageer, het ons 40 ms-asblikke gebruik (in stappe van 20 ms geskuif) en 'n shuffle-toets (10,000 shuffles) gebruik vir elke keer as ons die skietkoers na aanvang van die skyf vergelyk met die 250 ms onmiddellik voor die aanwysing. Die eerste houer waarteen die afslaankoers aansienlik was (P <0.01, wat reggestel word vir veelvuldige vergelykings) groter as die skiet van die basislyn, word beskou as die tyd om die antwoord te gee.

Piekvuurkoers is bereken as die maksimum (Gauss-gladde) vuursnelheid van elke proef in 'n 250-ms-venster na die kant-in vir beloonde toetse, en die vallei is bereken as die minimum vuurspoed in 'n 2-venster. een sekonde nadat sy ingehaal het vir onbeantwoorde proewe.

Om 'n oprithoek tydens benaderingsgedrag te bereken, het ons die gemiddelde vuurspoed met 'n 50-ms-Gaussian-kern gelykgemaak, die maksimum / minimum van die gevolgde sein in 'n 0.5-venster voor elke gebeurtenis opgespoor (middel-of voedselpoort ) en gemeet die getekende hoek wat die twee extrema verbind. Om vuurpryse in 'hoë' en 'lae' beloningblokke te vergelyk, het ons vir elke sessie 'n mediaanverdeling van gemiddelde lekkende-integratorbeloningsyfer in elke blok uitgevoer.


Voltammetrie en berekeningsmodel

Fast-scan cyclic voltammetry resultate hier getoon heranaliseer data voorheen aangebied in detail5. Binne-proefberamings van staatswaarde en beloningvoorspellingsfoute is bereken met behulp van 'n semi-Markov besluitnemingsproses versterkingsleermodel, presies soos voorheen beskryf5.


fotometrie

Ons het 'n virale benadering gebruik om die geneties-gekodeerde optiese dopaminesensor dLight uit te druk15. Onder isofluraan-narkose, 1 μl AAV9-CAG-dLight (1 × 10)12 virale genome per ml; UC Davis-vektorkern) word stadig (100 nl / min) (Nanoject III, Drummond) deur 'n 30 µm glasmikropipet in ventrale striatum bilateraal ingespuit (AP: 1.7 mm, ML: 1.7 mm, DV: -7.0 mm). Tydens dieselfde operasie is optiese vesels (400 µm kern, 430 µm totale deursnee) wat aan 'n metaalhuls (Doric) geheg is, ingevoeg (teikediepte 200 µm hoër as AAV) en vasgesement. Data is> drie weke later ingesamel om dLight-uitdrukking moontlik te maak.

Vir dLight-opwinding is blou (470 nm) en violet (405 nm; beheer) LED's sinusvormig gemoduleer teen verskillende frekwensies (onderskeidelik 211 Hz en 531 Hz58). Beide opwekkings- en emissie-seine wat deur minibuisfilters (Doriese) en grootmaatfluoressensie gelei is, is gemeet met 'n femtowatt-detektor (Newport, Model 2151) monsterneming op 10 kHz. Demodulasie het afsonderlike 470 nm (dopamien) en 405 nm (kontrole) seine opgelewer, wat dan met 'n minste vierkantige pas na mekaar geskaal is58. Breuke fluorescens sein (dF/F) is dan gedefinieer as (470–405_fit) / 405_fit. Vir alle ontledings is hierdie sein afgestaal tot 50 Hz en glad gemaak met 'n vyfpunt-mediaanfilter. Vir die aanbieding van 470 nm en 405 nm seine, sien uitgebreide data Fig. 7.

Data uit 'n optiese veselplasing is in ontledings ingesluit as die veselpunt in NAc was, en die fluorescensreaksie op ten minste een taakstok het 'n z-telling van> 1. Hierdie kriteria sluit een rot uit en lewer drie rotte / vier plasings (IM1065-links, IM1066-bilateraal, IM1089-regs) vir dLight1.1, en vier rotte / ses plasings (IM1088-bilateraal, IM1105-regs, IM1106-bilateraal, IM1107-regs) vir dLight1.3b. Soortgelyke resultate is verkry vir dLight1.1 en dLight1.3 (Uitgebreide data Fig. 7), sodat data gekombineer is.

Om 'n ramphoek tydens benaderingsgedrag te bereken, het ons die maksimum / minimum van die gevolgde sein in 'n 0.5-venster voor elke gebeurtenis (middel-in of kos-poort) vasgestel en die getekende hoek wat die twee ekstremma verbind het, gemeet.


Affiniteit en molekulêre spesifisiteit van dLight1.3b

In vitro metings is uitgevoer soos voorheen beskryf15. Kortliks, HEK293T (ATCC CRL # 1573) selle is gekweek en getransfekteer met plasmiede wat damp1.3b koördineer deur 'n CMV-promotor bestuur, en gewas met HBSS (Life Technologies) aangevul met Ca2+ (4mM) en Mg2+ (2 mM) voor beelding. Beeldvorming is uitgevoer met behulp van 'n 40 × olie-gebaseerde doelwit op 'n omgekeerde Zeiss Observer LSN710 konfokale mikroskoop met 488 nm / 513 nm (opwekking / emissie) golflengtes. Vir die toets van die sensor se fluoressensie-reaksies is neuro-oordragstowwe direk op die bad toegepas tydens time-lapse-beelding, in ten minste twee onafhanklike eksperimente. Titrasies van dopamien en noradrenalien is verkry deur tienvoudige reeksverdunnings uit te voer om agt verskillende konsentrasies te bereik. Alle ander neurotransmitters is in drie opeenvolgende konsentrasies (100 nM, 1 µM en 10 µM) getoets. Alle neurotransmitterkonsentrasies is verkry deur verdunning uit 'n 1 mM voorraadkonsentrasie in HBSS, vars voorberei. Rou fluoressensie-intensiteite van tydsverloop is op Fidji gekwantifiseer; elke ROI is handmatig op die membraan van individuele selle getrek. Fluorescerende vouverandering (ΔF/F) is bereken as F piek (gemiddelde fluoressensie-intensiteit van vier rame) - F basale (gemiddelde fluorescentie-intensiteit van vier rame voor toevoeging van ligande) /F basale. Grafieke en statistiese analise is uitgevoer met behulp van GraphPad Prism 6. Data punte is geanaliseer met 'n een-plek spesifieke bindkromme wat geskik is om te verkry Kd waardes. In box-and-whisker-plotte dek die boks die 25% tot 75% -reeks en snybrekers strek van minimum tot maksimum waardes.


Verslagopsomming

Verdere inligting oor navorsingsontwerp is beskikbaar in die Natuurnavorsingsverslagopsomming gekoppel aan hierdie vraestel.

Data beskikbaarheid

Die AAV.Synapsin.dLight1.3b-virus wat in hierdie studie gebruik is, is by Addgene (nr. 125560; http://www.addgene.org). Al die data sal beskikbaar wees op die webwerf vir die deel van data vir samewerkende navorsing in berekeningsneurwetenskap (https://doi.org/110.6080/K0VQ30V9).

Kode beskikbaarheid

Aangepaste MATLAB kode is op aanvraag by JDB beskikbaar

Bykomende inligting

Uitgewer se nota: Springer Nature bly neutraal ten opsigte van jurisdiksie-eise in gepubliseerde kaarte en institusionele affiliasies.

Verwysings

  1. 1.

    Schultz, W., Dayan, P. & Montague, PR 'n Neurale substraat van voorspelling en beloning. Wetenskap 275, 1593-1599 (1997).

  2. 2.

    Pan, WX, Schmidt, R., Wickens, JR & Hyland, BI Dopaminselle reageer op voorspelde gebeure tydens klassieke kondisionering: bewyse vir spore in die beloningsleernetwerk. J. Neurosci. 25, 6235-6242 (2005).

  3. 3.

    Cohen, JY, Haesler, S., Vong, L., Lowell, BB & Uchida, N. Neuron-tipe-spesifieke seine vir beloning en straf in die ventrale tegmentale gebied. Aard 482, 85-88 (2012).

  4. 4.

    Steinberg, EE et al. 'N Kousale verband tussen voorspellingsfoute, dopamienneurone en leer. Nat. Neurosci. 16, 966-973 (2013).

  5. 5.

    Hamid, AA et al. Mesolimbiese dopamien dui op die waarde van werk. Nat. Neurosci. 19, 117-126 (2016).

  6. 6.

    Saunders, BT, Richard, JM, Margolis, EB & Janak, PH Dopamienneurone skep Pavloviaanse gekondisioneerde stimuli met stroombaan-gedefinieerde motiverende eienskappe. Nat. Neurosci. 21, 1072-1083 (2018).

  7. 7.

    Phillips, PE, Stuber, GD, Heien, ML, Wightman, RM & Carelli, RM Subsecond dopamine release bevorder kokaïen soek. Aard 422, 614-618 (2003).

  8. 8.

    Roitman, MF, Stuber, GD, Phillips, PE, Wightman, RM & Carelli, RM Dopamine funksioneer as 'n subsekonde-modulator van voedsel soek. J. Neurosci. 24, 1265-1271 (2004).

  9. 9.

    Wassum, KM, Ostlund, SB & Maidment, NT Fasiese mesolimbiese dopamien sein voorafgaan en voorspel die uitvoering van 'n self-geïnisieerde aksie volgorde taak. Biol. Psigiatrie 71, 846-854 (2012).

  10. 10.

    Howe, MW, Tierney, PL, Sandberg, SG, Phillips, PE & Graybiel, AM Verlengde dopamien sein in striatum seine nabyheid en waarde van ver beloning. Aard 500, 575-579 (2013).

  11. 11.

    Syed, EC et al. Aksie-inisiasie vorm mesolimbiese dopamien-kodering van toekomstige belonings. Nat. Neurosci. 19, 34-36 (2016).

  12. 12.

    Morris, G., Nevet, A., Arkadir, D., Vaadia, E. & Bergman, H. Midbrein dopamienneurone kodeer vir besluite vir toekomstige optrede. Nat. Neurosci. 9, 1057-1063 (2006).

  13. 13.

    da Silva, JA, Tecuapetla, F., Paixão, V. & Costa, RM Dopamienneuronaktiwiteit voor aksie-aanvangshekke en versterk toekomstige bewegings. Aard 554, 244-248 (2018).

  14. 14.

    Fiorillo, CD, Tobler, PN & Schultz, W. Diskrete kodering van beloningskans en onsekerheid deur dopamienneurone. Wetenskap 299, 1898-1902 (2003).

  15. 15.

    Patriarchi, T., Cho, JR, Merten, K., Howe, MW, et al. Ultra vinnige neuronale beeldvorming van dopamien dinamika met ontwerp geneties gekodeerde sensors. Wetenskap 360, eaat4422 (2018).

  16. 16.

    Salamone, JD & Correa, M. Die geheimsinnige motiveringsfunksies van mesolimbiese dopamien. Neuron 76, 470-485 (2012).

  17. 17.

    Schultz, W. Voorspellende beloning sein van dopamienneurone. J. Neurophysiol. 80, 1-27 (1998).

  18. 18.

    Garris, PA & Wightman, RM Verskillende kinetika reguleer dopaminerge oordrag in die amygdala, prefrontale korteks en striatum: 'n in vivo voltammetriese studie. J. Neurosci. 14, 442-450 (1994).

  19. 19.

    Frank, MJ, Doll, BB, Oas-Terpstra, J. & Moreno, F. Prefrontale en striatale dopaminerge gene voorspel individuele verskille in eksplorasie en ontginning. Nat. Neurosci. 12, 1062-1068 (2009).

  20. 20.

    St Onge, JR, Ahn, S., Phillips, AG & Floresco, SB Dinamiese skommelinge in dopamien-uitvloei in die prefrontale korteks en kern kom toe tydens risikogebaseerde besluitneming. J. Neurosci. 32, 16880-16891 (2012).

  21. 21.

    Bartra, O., McGuire, JT & Kable, JW Die waardasiestelsel: 'n koördinaatgebaseerde meta-analise van BOLD fMRI-eksperimente wat neurale korrelate van subjektiewe waarde ondersoek. Neuro Image 76, 412-427 (2013).

  22. 22.

    Ikemoto, S. Dopamienbeloningskring: twee projeksiesisteme van die ventrale middelbrein na die kern accumbens-olfaktoriese tuberkelkompleks. Brein Res. Brein Res. Ds. 56, 27-78 (2007).

  23. 23.

    Breton, JM et al. Relatiewe bydraes en kartering van ventrale tegmentale area dopamien en GABA neurone deur projeksie teiken in die rot. J. Comp. Neurol. (2018).

  24. 24.

    Ungless, MA, Magill, PJ & Bolam, JP Eenvormige remming van dopamienneurone in die ventrale tegmentale area deur aversiewe stimuli. Wetenskap 303, 2040-2042 (2004).

  25. 25.

    Morales, M. & Margolis, EB Ventrale tegmentale area: sellulêre heterogeniteit, konnektiwiteit en gedrag. Nat. Ds. Neurosci. 18, 73-85 (2017).

  26. 26.

    Morris, G., Arkadir, D., Nevet, A., Vaadia, E. & Bergman, H. Toevallige maar duidelike boodskappe van middelbrein dopamien en striatale tonies aktiewe neurone. Neuron 43, 133-143 (2004).

  27. 27.

    Floresco, SB, West, AR, Ash, B., Moore, H. & Grace, AA Gunstige modulasie van dopamienneuronafvuur reguleer die oordrag van tonika en fasiese dopamien. Nat. Neurosci. 6, 968-973 (2003).

  28. 28.

    Grace, AA Dysregulering van die dopamienstelsel in die patofisiologie van skisofrenie en depressie. Nat. Ds. Neurosci. 17, 524-532 (2016).

  29. 29.

    Cohen, JY, Amoroso, MW & Uchida, N. Serotonergiese neurone dui beloning en straf aan op meerdere tydskale. eLife 4, e06346 (2015).

  30. 30.

    Niv, Y., Daw, N. & Dayan, P. Hoe vinnig om te werk: reaksiekrag, motivering en tonikum dopamien. Adv. Neurale Inf. Proses. SYST. 18, 1019 (2006).

  31. 31.

    Bayer, HM, Lau, B. & Glimcher, PW Statistieke van dopamienneuron-spitstreine in die middelbrein in die wakker primaat. J. Neurophysiol. 98, 1428-1439 (2007).

  32. 32.

    Chergui, K., Suaud-Chagny, MF & Gonon, F. Nie-lineêre verband tussen impulsvloei, dopamienvrystelling en dopamien-eliminasie in die rotbrein in vivo. Neurowetenskap 62, 641-645 (1994).

  33. 33.

    Parker, NF et al. Beloning en keuse enkodering in terminale van midbrain dopamienneurone hang af van striatale teiken. Nat. Neurosci. 19, 845-854 (2016).

  34. 34.

    Menegas, W., Babayan, BM, Uchida, N. & Watabe-Uchida, M. Teenoorgestelde initialisering tot nuwe aanwysings in dopamien sein in ventrale en posterior striatum by muise. eLife 6, e21886 (2017).

  35. 35.

    Trulson, ME Gelyktydige opname van substantia nigra neurone en voltammetriese vrystelling van dopamien in die kaak van gedragende katte. Brein Res. Bul. 15, 221-223 (1985).

  36. 36.

    Glowinski, J., Chéramy, A., Romo, R. & Barbeito, L. Presynaptiese regulering van dopaminerge oordrag in die striatum. Sel. Mol. Neurobiol. 8, 7-17 (1988).

  37. 37.

    Zhou, FM, Liang, Y. & Dani, JA Endogene nikotiniese cholinergiese aktiwiteit reguleer die vrystelling van dopamien in die striatum. Nat. Neurosci. 4, 1224-1229 (2001).

  38. 38.

    Threlfell, S. et al. Striale dopamien vrystelling word veroorsaak deur gesinchroniseerde aktiwiteit in cholinergiese interneurone. Neuron 75, 58-64 (2012).

  39. 39.

    Cachope, R. et al. Selektiewe aktivering van cholinergiese interneurone verhoog accumale fasiese dopamien vrystelling: stel die toon vir beloningverwerking. Verslae Cell 2, 33-41 (2012).

  40. 40.

    Sulzer, D., Cragg, SJ & Rice, ME Striatale dopamien neurotransmissie: regulering van vrystelling en opname. Basale Ganglia 6, 123-148 (2016).

  41. 41.

    Floresco, SB, Yang, CR, Phillips, AG & Blaha, CD Basolaterale amygdala-stimulasie wek glutamaatreseptor-afhanklike dopamienuitvloei in die kern van die verdoofde rot op. EUR. J. Neurosci. 10, 1241-1251 (1998).

  42. 42.

    Jones, JL et al. Basolaterale amygdala modulate terminale dopamien vrystelling in die kern accumbens en gekondisioneerde reageer. Biol. Psigiatrie 67, 737-744 (2010).

  43. 43.

    Schultz, W. Responses of midbrain dopamine neurons to behavioral trigger stimuli in the monkey. J. Neurophysiol. 56, 1439-1461 (1986).

  44. 44.

    Berke, JD Wat beteken dopamien? Nat. Neurosci. 21, 787-793 (2018).

  45. 45.

    Bromberg-Martin, ES, Matsumoto, M. & Hikosaka, O. Distinct tonic and phasic anticipatory activity in laterale habenula en dopamienneurone. Neuron 67, 144-155 (2010).

  46. 46.

    Pasquereau, B. & Turner, RS Dopamienneurone kodeer vir foute in die voorspelling van bewegingskakeling. J. Neurophysiol. 113, 1110-1123 (2015).

  47. 47.

    Fiorillo, CD, Newsome, WT & Schultz, W. Die tydelike presisie van beloningvoorspelling in dopamienneurone. Nat. Neurosci. 11, 966-973 (2008).

  48. 48.

    Morita, K. & Kato, A. Striatale dopamien-oprit kan dui op buigsame versterkingsleer met vergeet in die kortiko-basale ganglia-kringe. Front. Neurale stroombane 8, 36 (2014).

  49. 49.

    Gershman, SJ Dopamien-opritte is 'n gevolg van beloningsvoorspellingsfoute. Neurale Komput. 26, 467-471 (2014).

  50. 50.

    Nicola, SM Die buigsame benadering hipotese: eenwording van poging en cue-reageer hipoteses vir die rol van kern accumbens dopamine in die aktivering van beloning-soek gedrag. J. Neurosci. 30, 16585-16600 (2010).

  51. 51.

    Paxinos, G. & Watson, C. Die Rat Brein in Stereotaksiese Koördinate 5th edn (Elsevier Academic, 2005).

  52. 52.

    Witten, IB et al. Reombinase-bestuurder rat lyne: gereedskap, tegnieke en optogenetiese toepassing op dopamien-bemiddelde versterking. Neuron 72, 721-733 (2011).

  53. 53.

    Sugrue, LP, Corrado, GS & Newsome, WT Matching gedrag en die voorstelling van waarde in die pariëtale korteks. Wetenskap 304, 1782-1787 (2004).

  54. 54.

    Wong, JM et al. Benzoylchloried derivatisering met vloeistofchromatografie-massaspektrometrie vir geteikende metabolomika van neurochemikalieë in biologiese monsters. J. Chromatogr. A 1446, 78-90 (2016).

  55. 55.

    Chung, JE et al. 'N Ten volle geoutomatiseerde benadering tot spyk sortering. Neuron 95, 1381-1394 (2017).

  56. 56.

    Kvitsiani, D. et al. Duidelike gedrags- en netwerk-korrelasies van twee interneuron-tipes in prefrontale korteks. Aard 498, 363-366 (2013).

  57. 57.

    Grace, AA & Bunney, BS Die beheer van die vuurpatroon in nigrale dopamienneurone: burst-afvuur. J. Neurosci. 4, 2877-2890 (1984).

  58. 58.

    Lerner, TN et al. Intact-brein ontledings openbaar duidelike inligting wat deur SNc dopamien subkringe uitgevoer word. Cell 162, 635-647 (2015).

Laai verwysings af

Bedankings

Ons bedank P. Dayan, H. Fields, L. Frank, C. Donaghue en T. Faust vir hul kommentaar op 'n vroeë weergawe van die manuskrip, en V. Hetrick, R. Hashim en T. Davidson vir tegniese hulp en advies. Hierdie werk is ondersteun deur die Nasionale Instituut vir Dwelmmisbruik, die Nasionale Instituut vir Geestesgesondheid, die Nasionale Instituut vir Neurologiese Stoornisse en Beroerte, die Universiteit van Michigan, Ann Arbor en die Universiteit van Kalifornië, San Francisco.

Reviewer inligting

Aard dankie Margaret Rice en die ander anonieme beoordelaar (s) vir hul bydrae tot die portuuroorsig van hierdie werk.

inligting oor die outeur

AM het die elektrofisiologie en fotometrie uitgevoer en ontleed en die berekeningsmodel toegepas. JRP uitgevoer en ontleed die mikrodialysis met behulp van J.-MTW en toesig deur RTKAAH het die gedragstaak en aanvanklike fotometrie-opstelling ontwikkel en die voltammetrie uitgevoer. LTV het retrograde opsporing en analise uitgevoer. TP en LT ontwikkel die dLight sensor en gedeelde kundigheid. JDB het die studie ontwerp en toesig gehou en die manuskrip geskryf.

Mededingende belange

Die outeurs verklaar geen mededingende belange nie.

Korrespondensie aan Joshua D. Berke.