Decoding Circuites Neurìculi chì cuntrullanu Succulingu Compulsivu Circatu (2015) (BINGE MECHANISM)

Per identificà i neuroni LH chì furniscenu input monosinapticu à u VTA in vivo è osservà a so attività durante i cumpurtamenti in muvimentu liberamente, avemu utilizatu una strategia dual-virus per sprime selectivamente channelrhodopsin-2 (ChR2) in neuroni LH chì furniscenu input monosinapticu à u VTA.Figuras 1A è S1). Avemu iniettatu un vettore virali adeno-associatu (AAV₅) purtendu ChR2-eYFP in un quadru di lettura aperta doppia invertitu (DIO) dipendente da Cre-recombinase in u LH per infettà i somati lucali è injected un virus herpes simplex (HSV) chì viaghja in retrogradu chì porta Cre-recombinase in u VTA. A ricombinazione successiva hà permessu l'espressione di opsina è fluoroforu selettivamente in i neuroni LH chì furniscenu input monosinapticu à u VTA. Per cunfirmà u nostru approcciu, avemu realizatu registrazioni ex vivo di patch-clamp di cellule intere in fette di cervellu orizzontali chì cuntenenu LH è registrate da neuroni chì esprimenu ChR2-eYFP, è ancu di neuroni LH vicini chì eranu ChR2-eYFP negativi (Figura 1B). Latenza di spike evocata da a luce, misurata da l'iniziu di l'impulsu luminoso à u piccu di u potenziale d'azzione, variava da 3-8 ms (Figura 1C). Avemu trovu ancu chì nimu di e cellule non-espressione (ChR2-negativu) arregistrati mostrava risposti eccitatori à a fotostimulazione (n = 14; Figura 1C), malgradu a so vicinanza à e cellule chì esprimonu ChR2.

Per fà una fotoidentificazione mediata optogeneticamente in vivo, un optrode hè statu impiantatu in u LH per registrà l'attività neuronale durante un compitu di ricerca di saccarosi. In a stessa sessione di registrazione, avemu furnitu parechji mudelli di fotostimulazione per identificà i neuroni LH-VTA chì esprimenu ChR2 (Figuras 1D è S1). Avemu esaminatu a distribuzione di latenze di fotorisposta eccitatoria in tutti i neuroni LH chì mostranu un cambiamentu in u tempu di a velocità di sparu in risposta à l'illuminazione è osservatu una distribuzione bimodale (Figura 1E). Avemu osservatu una pupulazione di neuroni durante registrazioni in vivo cù latenze in una gamma di 3-8 ms. Questu era identicu à a gamma di latenza truvata in i neuroni LH-VTA chì esprimenu ChR2 quandu avemu registratu ex vivo. Avemu chjamatu queste unità unità "Tipu 1" (Figuras 1C, 1E et 1F). Inoltre, ci era una pupulazione distinta di cellule cù latenze di fotorisposta di ~ 100 ms (Figuras 1E è 1G), è avemu chjamatu queste unità "Tipu 2". Avemu ancu osservatu neuroni chì sò stati inibiti in risposta à a fotostimulazione di i neuroni LH-VTA (Figura S2), è avemu chjamatu queste unità "Tipu 3". Avemu paragunatu a durata potenziale di l'azzione (cum'è misurata da u piccu à u minimu) è i ritmi di sparu mediu di unità di Type 1 è Type 2, è ancu di quelli chì ùn anu micca mostratu una fotorisposta (Figura 1H). A distribuzione di e durazioni potenziali d'azzione di u tipu 1 (Figura 1I) è tipu 2 (Figura 1J) unità mostra chì a maiò parte di l'unità Type 1 anu una durazione potenziale d'azzione menu di 500 μs (84%; n = 16/19, distribuzione binomiale, p = 0.002).

Ancu se l'unità di Type 1 si adattanu à i criteri standard per esse classificate cum'è ChR2 chì esprimenu (Cohen et al., 2012, Zhang et al., 2013), ùn era micca chjaru se a fotorisposta di latenza più longa di l'unità di Type 2 era indicativa di neuroni chì esprimenu ChR2 chì rispondenu. più lentamente à photostimulation, o s'ellu stu effettu era duvuta à attività reta. Dapoi chì i neuroni LH chì esprimenu ChR2 (Tipu 1) prughjettanu direttamente à u VTA, una pussibilità era chì i neuroni di Type 2 ricevenu feedback da u VTA (Figura 1K). Un'altra possibilità era chì i neuroni di Type 2 sò stati attivati ​​da i collaterali assoni da i neuroni di Type 1 (Figura 1L). Per diferenze trà questi dui mudelli di circuiti pussibuli, avemu impeditu u VTA in cungiunzione cù a fotoidentificazione in u LH.

Basatu nantu à i nostri mudelli di circuiti, aspittemu chì l'inibizione distale ùn hà micca effettu nantu à e fotorisposte di i neuroni LH chì esprimenu ChR2. Tuttavia, se fotoresponsive, ma non espressive, i neuroni LH si basanu nantu à u feedback da u VTA per suscitarà una risposta chjosa in u tempu à l'illuminazione (Figura 1K), aspittemu una attenuazione di e fotorisposte in questi neuroni nantu à l'inibizione di VTA. Avemu spressu ChR2 in cellule LH-VTA cum'è sopra, ma sta volta hà ancu espresso l'halorhodopsin 3.0 (NpHR) rinforzatu in u VTA è implantatu una fibra ottica in u VTA in più di l'optrode in LH (Figura 2A). Avemu furnitu i stessi mudelli di illuminazione di luce blu in a LH per tutte e trè epoche, ma ancu fotoinhibited a VTA cù luce gialla in a seconda epoca (Figura 2A).

I fotorisposti di l'unità di Type 1 à l'illuminazione di luce blu in u LH ùn sò micca stati affettati da a fotoinhibizione di u VTA, chì hè coherente cù l'espressione ChR2 in i neuroni LH-VTA di Type 1.Figura 2B). In cuntrastu, a maiò parte di l'unità di Type 2 (87%; n = 13/15, distribuzione binomiale, p = 0.004) hà dimustratu una attenuazione significativa di fotorisposte à impulsi di luce blu consegnati in LH dopu a fotoinhibition di neuroni VTA. I risposti di l'unità Type 1 è Type 2 durante a fotoinhibition VTA eranu significativamente diffirenti (chi-square = 7.64, p = 0.0057; Figuras 2B è 2C). Queste differenze ponu ancu esse vistu in i punteggi Z max durante epoche individuali (Figura 2D) è cù l'epica gialla-ON normalizzata à l'epica gialla-OFF (Figura 2E). Questi dati suggerenu chì i neuroni di Type 2 LH ricevenu input (direttu o indirettu) da u VTA (Figura 1K) invece che tramite collaterali assoni locali (Figura 1L).

Dopu avè identificatu sti dui tipi distinti di neuroni LH in u ciclu LH-VTA, vulemu esaminà l'attività neurale naturale durante un compitu d'autoamministrazione di saccarosi.Figura 3A). I topi sò stati addestrati per eseguisce risposte di u nasu per un cue chì predice a consegna di saccarosi in un portu adiacente (cum'è in Tye et al., 2008). Per permette di differenzià e risposte neurali à u nosepoke è u cue, u cue è u saccarosi sò stati mandati nantu à un prugramma di rinforzu parziale, induve u 50% di i nosepoke sò stati accoppiati cù un cue è saccarosi.

L'unità di tipu 1 anu dimustratu risposti fasichi à l'entrata di u portu di saccarosi, cum'è vistu in una unità rappresentativa di Type 1 (Figura 3B), è ancu i dati di pupulazione per tutte e unità di tipu 1 (Figura 3C). I risposti fasichi di l'unità di Type 2, in ogni modu, riflettenu principalmente risposte à l'indicazione predittiva di ricumpensa (Figuras 3D et 3E). I mudelli di sparu nurmalizzati di tutti i neuroni registrati (n = 198, divisi in Tipu 1, 2, 3, è unità non-responsive) sò visualizati per ogni cumpunente di u compitu: nosepokes accoppiati cù u cue, nosepokes in assenza di cue, è entrata di u portu di saccarosi (Figura 3F). Tutte e unità di Type 1 chì anu mostratu cambiamenti fasici rilevanti in l'attività (74%; n = 14/19) sò stati eccitati fasi o inibiti da l'entrata di u portu di saccarosia, cù un picculu numeru chì mostra ancu inibizione fasica à u cue predictivu di ricumpensa (Figuras 3B, 3C è 3G). In cuntrastu, l'unità di u tipu 2 eranu più eterogenei, cù i neuroni chì rispundenu à u compitu codificanu a cue selettivamente (35%), l'entrata di u portu di saccarosa selettivamente (26%), o tramindui u cue è l'entrata di u portu (12%); Figuras 3D, 3E è 3H). Per illustrà a forza di risposti di l'unità di Tipu 1 è Tipu 2 à l'avvenimenti in relazione à u travagliu, avemu tracciatu ogni cellula nantu à una trama tridimensionale secondu u puntu Z (Figura 3I). Per dimustrà a distribuzione di cambiamenti fasichi in u focu à parechje avvenimenti in relazione à u travagliu à un livellu qualitatiu, avemu tracciatu u numeru di cellule di ogni tipu di fotorisposta chì hè cascatu in una categuria data (Figura 3J).

Data u rolu ben definitu di u VTA in l'errore di prediczione di ricumpensa (per esempiu, a riduzzione fasica di u focu di neurone DA in risposta à l'omissione inaspettata di una ricumpensa è l'eccitazione fasica in risposta à una ricompensa inespettata) (Schultz et al., 1997), avemu investigatu se i neuroni LH codificanu l'omissione inaspettata di una ricumpensa di saccarosi. Per fà questu, avemu registratu l'attività neurale di i neuroni fotoresponsivi durante u listessu compitu di cue-reward in animali ben addestrati, ma omessi aleatoriamente u 30% di e consegne di saccarosi dopu à u cue (Figura 4A).

A maiò parte di l'unità di Type 1 (88%; n = 15/17, distribuzione binomiale, p = 0.001) eranu insensibili à l'omissione di ricumpensa (Figuras 4B è 4D), mentri un grande sottumessu di unità di Type 2 (67%; n = 12/18) hà dimustratu una risposta significativamente sfarente à i prucessi presentati da ricumpensa è omessi da ricumpensa (Figuras 4C è 4D). Avemu cunclusu chì i neuroni LH-VTA (Tipu 1) codificanu l'azzione di entra in u portu, postu chì sti risposti di entrata di u portu eranu persistenti ancu dopu l'omissione di ricumpensa (Figura 4D), in cuntrastu à l'unità Type 2 (chi-square = 10.9804, p = 0.0009).

Per determinà se e risposte di Type 1 à l'entrata di u portu codificavanu veramente a risposta cundizionata (CR), in uppusizione à u cumpurtamentu generale di ricerca di ricumpensa o di esplorazione, avemu registratu in topi senza addestramentu chì ùn anu micca ancu acquistatu u compitu. In i topi ingenui à i compiti, avemu consegnatu saccarosi à u portu in assenza di un cue predittivu (consegna di ricumpensa imprevisu) è truvamu chì l'unità di u tipu 1 ùn anu micca mostratu risposti fasi à l'entrata di u portu (Figuras 4E, 4F è 4I), in cunfurmità cù u mudellu chì i neuroni di Type 1 codificanu u CR (Figura 4J).

In seguitu, per determinà se l'attività di l'unità di u tipu 2 hè coherente cù un prufilu di risposta d'errore di previsione di ricumpensa, avemu ancu registratu sti neuroni in animali ben addestrati durante a consegna di ricumpensa imprevista (Figura 4G). Avemu trovu chì un sottumessu di unità di Type 2 hà rispostu à e consegne impreviste di saccarosi (50%; Figuras 4G-4I). Inseme, i sottogruppi di unità di Type 2 sò sensibili à l'omissione di ricumpensa inaspettata (Figuras 4C è 4D) è consegna di ricumpensa imprevista (Figuras 4G-4I), coherente cù un prufilu di risposta d'errore di prediczione di ricumpensa.

Cumu avemu dimustratu sopra, l'unità di Type 1 rapprisentanu un correlate neurale di CR. Impurtante, l'aumentu di a rata di tiru principia prima di CR, cresce finu à chì u CR hè statu cumpletu (Figuras 3B, 3C, è 4B). Per determinà se l'attivazione di a via LH-VTA puderia prumove a CR, avemu vulsutu pruvà a capacità di l'attivazione LH-VTA in guidà a CR in fronte di una cunsiquenza negativa. In i topi di tipu salvaticu, avemu espressu ChR2-eYFP o eYFP solu in corpi di cellule LH è implantatu una fibra ottica sopra u VTA (Figuras 5A è S4). À u cuntrariu, per pruvà u rolu di a via LH-VTA in a mediazione di CR o di cumpurtamenti ligati à l'alimentazione, avemu espresu bilateralmente NpHR-eYFP o eYFP solu in cellule LH è implantatu una fibra ottica sopra u VTA.Figuras 5A è S4).

Avemu cuncepitu un compitu di condizionamentu Pavlovianu in quale i topi privati ​​di l'alimentu anu da attraversà una griglia di scossa per ricuperà una ricumpensa di saccarosi (Figura 5B). In a prima epoca di "baseline" (cù a griglia di scossa off), avemu verificatu chì ogni mouse avia acquistatu u compitu di approcciu cundizionatu Pavlovianu. In a seconda epoca ("Shock"), a griglia di scossa furnia scossa ligera di u pede ogni seconda. Infine, in a terza epoca ("Shock + Light"), avemu cuntinuatu à furnisce i scossa di u pede, ma ancu i terminali LH illuminati in u VTA cù luce blu (10 Hz) in topi chì esprimenu ChR2 è cuntrolli eYFP cumpatibili è luce gialla (custante) per topi chì esprimenu NpHR è i so cuntrolli eYFP (Figura 5B).

Avemu osservatu un numeru significativamente più altu di entrate di portu per cue durante l'epica Shock + Light è un puntu di differenza significativamente più altu (Epoca Shock + Light - Epoca Shock-only) in i topi ChR2 relative à i topi eYFP (Figura 5C e Movie S1). In cuntrastu, a fotoinhibizione di a via LH-VTA hà risultatu in una riduzione significativa di l'entrate portu per cue è i punti di differenza in i topi NpHR relative à i topi eYFP (Figura 5D è Movie S2). Esperimenti d'estinzione in a sessione durante i quali e presentazioni di cue ùn sò micca seguite da consegne di saccarosi mostranu tendenzi simili in effetti (Figura S4).

Impurtante, vulemu determinà se i cambiamenti in a ricerca di saccarosi chì avemu avutu ottenutu sò stati causati da cambiamenti in u cumpurtamentu di l'alimentazione o da a sensibilità à u dulore. Avemu osservatu chì a fotoattivazione di a projezzione LH-VTA hà aumentatu significativamente u tempu passatu à l'alimentazione in topi ben alimentati in u gruppu ChR2.Figura 5E). Tuttavia, a fotoinhibizione di a via LH-VTA ùn hà micca riduciutu significativamente l'alimentazione (Figura 5F), ancu s'è questi animali eranu privati ​​di l'alimentu per rinfurzà a nostra capacità di detectà una riduzzione relative à l'epica di basa (paragunate à l'animali sati in Figura 5E). Nè u ChR2 (Figura 5G) nè gruppu NpHR (Figura 5H) avemu osservatu una diffarenza in a latenza à a ritirata di a cuda da l'acqua calda (Ben-Bassat et al., 1959, Grotto è Sulman, 1967), chì indicanu chì a manipulazione di a projezzione LH-VTA ùn alterava l'analgesia.

Per studià a cumpusizioni di i cumpunenti di trasmissione rapida di l'inputs LH à u VTA chì anu suscitatu questi effetti, avemu realizatu registrazioni di patch-clamp di cellule intere da neuroni VTA in una preparazione di fette aguda mentre attivava otticamente inputs LH chì esprimenu ChR2-eYFP (Figuras 6A è S5). Dapoi chì ci hè una eterogeneità ben stabilita in u VTA, cumprese ~ 65% di neuroni DA, ~ 30% di neuroni GABA, è ~ 5% di neuroni glutammatu (Margolis et al., 2006, Nair-Roberts et al., 2008, Yamaguchi et al., 2007). al., XNUMX), avemu riempitu e cellule di biocitina durante a registrazione per permette l'identificazione di u tipu di cellula cù l'immunoistochimica post-hoc per a tirosina idrossilasi (TH; Figura 6B), in più di registrà a corrente cationica attivata da iperpolarizazione (I_h) è u locu di a cellula di mappatura (Figuras 6B è S5).

Prima, avemu registratu in current-clamp durante a fotostimulazione di l'inputs LH chì esprimenu ChR2 è hà osservatu chì 23 di 27 neuroni mostranu una risposta in u tempu à a fotostimulazione di l'input LH.Figura 6C). A maiò parte di i neuroni DA campionati in u VTA hà ricevutu un input excitatory net da LH (56%), mentri un altru sottumessu mostrava inibizione netta (30%; Figura 6C). A distribuzione spaziale di sti neuroni DA hè mappata nantu à un atlas per fette orizzontali chì cuntenenu u VTA (Figura 6D).

Per stabilisce a cuntribuzione monosinaptica di l'input LH à i neuroni VTA DA, avemu utilizatu una mappatura di circuitu assistita da ChR2, induve e registrazioni di voltage-clamp sò state realizate in presenza di tetrodotoxin (TTX) è 4-aminopyridine (4AP; Petreanu et al., 2007) . In cunfurmità cù e nostre osservazioni da e registrazioni current-clamp, avemu osservatu chì a maiò parte di i neuroni VTA DA registrati anu ricevutu esclusivamente input monosinapticu excitatoriu da LH (67%), cumparatu cù neuroni VTA DA chì anu ricevutu esclusivamente input monosinapticu inhibitori (11%), o tramindui (22%; Figuras 6È è S6).

Avemu identificatu i neuroni VTA GABA iniettando un fluoroforu dipendente da Cre (AAV₅-DIO-mCherry) in u VTA di VGAT::Cre topi è utilizatu l'espressione mCherry per dirige l'arregistramentu di i neuroni VTA GABA (n = 24; Figura 6F). Quarantasei per centu di i neuroni VTA GABA hà rispostu cù eccitazione netta, mentre chì u 54% hà rispostu cù inibizione netta, à a fotostimulazione di l'input LH chì esprimenu ChR2 (Figura 6G). A distribuzione spaziale di queste cellule hè mostrata in Figura 6H. Dopu à esaminà l'input monosinapticu da u LH (cum'è deskrittu sopra), avemu trovu chì 18% di i neuroni GABA campionati ricivutu solu input excitatory è 9% ricivutu solu input inhibitory (Figura 6I). Tuttavia, relative à i neuroni VTA DA, avemu trovu chì più neuroni VTA GABA anu ricevutu sia GABA excitatoriu mediatu da AMPAR sia inibitori._AR-mediated input monosynaptic da u LH (73%; chi-square = 5.0505, p = 0.0246; Figuras 6I è S6).

Dapoi chì e nostre registrazioni ex vivo anu furnitu evidenza chì sustene un input robustu da e proiezioni LH GABAergiche è glutamatergiche à u VTA, dopu avemu sondatu u rolu di ogni cumpunente indipindente. Per fà questu, avemu utilizatu linee di mouse transgeniche chì esprimenu Cre-recombinase in neuroni chì esprimenu o trasportatore vesicular glutamate 2 (VGLUT2) o trasportatore vesicular GABA (VGAT). Avemu injectatu AAV₅-DIO-ChR2-eYFP o AAV₅-DIO-eYFP in u LH di VGLUT2::Cre è VGAT::Cre topi è implantatu una fibra ottica sopra u VTA (Figura S7). Questi animali sò stati poi eseguiti nantu à ognuna di i saggi di cumportamentu mostrati in Figura 5.

Ùn avemu micca osservatu alcuna differenza rilevabile in u numeru di entrate portu fatte per cue trà i topi chì esprimenu ChR2 o eYFP in u LH.^glutine-Projezzione VTA (Figura 7A) o in LH^GABA-Projezzione VTA (Figura 7B). Tuttavia, annantu à l'analisi video, avemu nutatu cumportamenti aberranti di gnawing in u LH^GABA-VTA: gruppu ChR2 nantu à l'illuminazione di luce blu (vede I Filmi S3 e S4). In LH^glutine-I topi VTA, ancu s'ellu ci era una tendenza versu una riduzione di l'alimentazione nantu à a fotostimulazione in u gruppu ChR2 cumparatu cù u gruppu eYFP, questu ùn era micca statisticamente significativu (Figura 7C). In cuntrastu, avemu osservatu un aumentu robustu di u tempu passatu à l'alimentazione in i topi saziati dopu l'illuminazione in u LH.^GABA-VTA: gruppu ChR2 relative à i cuntrolli (Figura 7D è Movie S3). In nessun gruppu d'animali ùn ci era un effettu di l'estimulazione luminosa in l'analisi di ritirata di a coda (Figuras 7E et 7F).

Duranti u travagliu di l'alimentazione, cum'è avemu fattu durante u travagliu di ricerca di saccarosi, avemu nutatu di novu sequenze di mutore aberranti chì ùn sò micca diretti à l'alimentariu. Avemu filmatu un mouse rappresentante in LH^GABA-VTA: gruppu ChR2 in una camera trasparente viota, è nantu à a fotostimulazione di 20 Hz, avemu osservatu sequenze di mutore appetitive inusual cum'è leccare è rosicà u pianu o u spaziu viotu (Movie S4). Avemu quantificatu sti cumpurtamenti di "rosia" durante u travagliu di alimentazione in u LH-VTA di tipu salvaticu (Figura 7G), LH^glutine-VTA (Figura 7H), è LH^GABA-VTA (Figura 7I) gruppi è hà dimustratu chì LH^GABA-VTA: i topi ChR2 mordi più di u tipu salvaticu o LH^glutine-VTA: topi ChR2 quandu fotostimulati, cumparatu cù i so rispettivi gruppi eYFP (Figura 7J). Avemu cunsideratu se i cumpurtamenti aberranti in relazione à l'alimentazione puderanu esse separati da l'alimentazione currettamente diretta à frequenze più basse. Tuttavia, quandu avemu pruvatu a LH^GABA-VTA: Gruppu ChR2 cù treni di 5 Hz è 10 Hz di luce blu, avemu osservatu una relazione proporzionale trà a frequenza di stimulazione è l'alimentazione è a rosicà (Figura 7K).

A prughjezzione di LH à u VTA hè stata esplorata cù studii di collisione di stimulazione elettrica (Bielajew è Shizgal, 1986) è hè stata longa ipotesi di ghjucà un rolu in l'elaborazione di ricumpensa (Hoebel è Teitelbaum, 1962, Margules è Olds, 1962) u rolu hè statu una sfida. Quì, furnimu una dissezione dettagliata di cumu i cumpunenti individuali di u ciclu LH-VTA processanu diversi aspetti di un compitu ligatu à a recompensa.

Attraversu l'usu di fototagging mediata da optogenetica (Figura 1), avemu identificatu dui pupulazioni separati di neuroni LH: cellule chì mandanu projezzioni à u VTA (Tipu 1) è e cellule chì ricevenu feedback da u VTA (Tipu 2; Figura 2) - ancu s'è queste pupulazioni ùn anu micca bisognu di esse mutualmente esclusivi, postu chì hè pussibule chì i neuroni LH puderanu mandà è riceve inputs da è da u VTA. Curiosamente, avemu trovu chì relativamente pochi neuroni fotoresponsivi sò cascati fora di a distribuzione bimodale incapsulendu queste duie populazioni (Figurine S2B è 1E). In vista di questu, in cumbinazione cù u ritardu di latenza longu in i fotorisposti di Type 2 (~ 100 ms), speculemu chì ci pò esse una via dominante chì cuntribuisce à l'attività di i neuroni di Type 2. Inoltre, perchè DA unisce i receptori G accoppiati à a proteina, a cinetica hè più lenta di a maiò parte di sinapsi glutamatergiche (Girault è Greengard, 2004) è pò spiegà stu cluster di unità fotoresponsive di latenza di 100 ms. Hè ancu pussibule chì a VTA pò furnisce un feedback indirettu attraversu altre regioni distali, via regioni intermedie excitatorii cum'è l'amigdala, o cù disinhibition via u nucleus accumbens (NAc) o u nucleu di lettu di a stria terminalis (BNST).

Curiosamente, mentri a fotostimulazione di unità di Type 1 evoca risposti eccitatori in unità di Type 2, unità di Type 1 è 2 mostranu proprietà di codificazione comportamentale distinte. Per esempiu, i numeri di unità Type 1 è Type 2 chì codificanu selettivamente u cue predictivu di ricumpensa sò significativamente diffirenti (n = 0/19 Type 1 versus n = 12/34 Type 2, chi-square = 8.67, p = 0.003) . Stu mudellu di risposta paradossale puderia esse dovutu à prucessi computazionali in un elementu di circuitu intermediu, cum'è u VTA, chì pò esse ghjucatu un rolu attivu durante u compitu cumportamentale ma inattivu durante u fototagging. Inoltre, u statu di cumportamentu di l'animali puderia influenzà cumu si tratta di sti dati.

I nostri esperimenti di omissione di ricumpensa ci anu permessu di distinguishà trà a codificazione neurale LH di u CR è u cunsumu di u stimulu incondizionatu (US). In questi esperimenti, un sottumessu di unità di Type 2 hà rispostu à u cue predictivu di ricumpensa (CS) è i Stati Uniti è anu ancu dimustratu una diminuzione di u ritmu di tiru quandu i premii previsti sò stati omessi. Inoltre, un sottogruppu di unità di Type 2 mostranu ancu eccitazione fasi nantu à una ricompensa inaspettata (Figuras 4G è 4H). Queste dati ricordanu a manera in chì i neuroni DA in u VTA codificanu l'errore di prediczione di ricumpensa (Cohen et al., 2012, Schultz et al., 1997). Speculemu chì i neuroni VTA ponu trasmette segnali d'errore di previsione di ricumpensa à un sottogruppu di neuroni LH, chì sò ben posizionati per integrà questi segnali per a determinazione di un output comportamentale adattatu. In particulare, u LH hè robustamente interconnessu cù una multitùdine di altre aree cerebrali (Berthoud è Münzberg, 2011) è hè stata causalmente ligata à stati omeostatici cum'è u sonnu / l'arousal è a fame / sazietà (Carter et al., 2009, Jennings et al. , 2013).

U cumpurtamentu compulsivo di ricerca di ricumpensa hè statu principalmente discututu in u cuntestu di l'addiction à a droga, induve un paradigma classicu per a ricerca compulsiva di droghe hè statu di esaminà u gradu à quale u cumpurtamentu di ricerca di droga persiste in fronte di una cunsiquenza negativa, cum'è un scossa di pede. (Belin et al., 2008, Pelloux et al., 2007, Vanderschuren è Everitt, 2004). Avemu adattatu stu compitu per a ricerca di saccarosi per permette di investigà se l'attivazione di a via LH-VTA era abbastanza per prumove a ricerca compulsiva di saccarosi. Dapoi chì una differenza distinta trà a droga è a ricumpensa naturale hè chì i premii di droga ùn sò micca necessarii per a sopravvivenza, ci hè una cuntruversia in quantu à quali cumpurtamenti custituiscenu un cumpurtamentu compulsivo di saccarosi o di ricerca di cibo. Una interpretazione alternativa di i nostri dati hè chì l'attivazione di a via LH-VTA aumenta solu l'impulsu motivazionale o l'urgenza di cercà rinforzi appetitivi. Siccomu i tassi di l'obesità anu aumentatu in l'ultimi decennii (Mietus-Snyder è Lustig, 2008), l'eccessiva compulsiva è l'addiction di zuccaru sò cundizioni prevalenti chì sò una minaccia maiò per a salute umana (Avena, 2007). U cumpurtamentu di l'alimentazione in i topi saziati (pienamente alimentati) dopu l'attivazione di a via LH-VTA ricorda i cumpurtamenti alimentari veduti in l'omu diagnosticati cù un disordine compulsivo di l'alimentazione eccessiva (o disordine di l'abbuffata) (DSM-V).

Hè statu prupostu chì l'azzioni ripetuti portanu à a furmazione di l'abitudini, chì stessi portanu à a ricerca compulsiva di ricumpensa chì caratterizeghja l'addiction (Everitt è Robbins, 2005). A nostra scuperta chì i neuroni LH-VTA codificanu solu l'entrata di u portu dopu à u cundizionamentu suggerisce chì sta via codifica selettivamente una risposta condizionata, micca solu una azione motivata. Questu hè coherente cù e nostre osservazioni chì l'attivazione ottica di sta projezzione pò prumove a ricerca compulsiva di ricumpensa di fronte à una cunsiquenza negativa (Figura 5C), è ancu in assenza di bisognu (cum'è vistu in i topi saziati, Figura 5E). Questa interpretazione hè ancu sustinuta da a nostra scuperta chì a fotoinhibizione di a via LH-VTA riduce selettivamente a ricerca compulsiva di saccarosi (Figura 5D) ma ùn riduce micca l'alimentazione in i topi limitati à l'alimentariu (Figura 5F). Unu di i più grandi sfidi in u trattamentu di i disordini di l'alimentazione compulsiva o di l'abbuffate hè u risicu di alterazione di i cumpurtamenti alimentari in generale. Da una perspettiva di traduzzione, pudemu avè identificatu un circuitu neurale specificu cum'è un scopu potenziale per u sviluppu di intervenzioni terapeutiche per l'alimentazione compulsiva o l'addiction di zuccaru senza sacrificà i cumpurtamenti naturali di l'alimentazione.

Mostremu chì in più di un cumpunente glutamatergicu LH-VTA (Kempadoo et al., 2013), ci hè ancu un cumpunente GABAergic significativu in a proiezione (Leinninger et al., 2009), è chì i neuroni LH sinapsinu direttamente nantu à DA è I neuroni GABA in VTA (Figura 6). Tuttavia, ci hè una differenza in l'equilibriu di l'input excitatory / inhibitory nantu à i neuroni VTA DA è GABA.

Mentre avemu usatu u prucessu immunoistochimicu per verificà l'identità di i neuroni VTA, avemu ancu misuratu I_h, una iperpolarizazione attivata in l'internu rectifying current cation non-specific (Lacey et al., 1989, Ungless and Grace, 2012). A prisenza di sta currente hè stata largamente usata in studii elettrofisiologichi per identificà i neuroni DA, ma hè statu dimustratu per esse prisenti solu in subpopulations di neuroni DA, delineati da u scopu di proiezione (Lammel et al., 2011). Ancu s'ellu hè statu prupostu prima in una rivista da Fields è i culleghi chì "i neuroni LH sinapsi nantu à e proiezioni VTA à u PFC, ma micca quelli chì prughjettanu à u NAc" (Fields et al., 2007), i nostri dati suggerenu chì sta cuntruversia sia riapertura. per più investigazione. Ancu s'è avemu osservatu un sottumessu di neuroni DA chì anu ricevutu eccitazione netta da a LH è pussede un I assai chjucu._h (coerente cù mPFC- o NAc medial shell-projecting DA neurons), avemu ancu osservatu un sottumessu di neuroni DA chì anu ricevutu input excitatory net è mostrò un grande I._h (coerente cù e caratteristiche di i neuroni DA chì prughjettanu à a cunchiglia laterale di u NAc; Figura S5; Lammel et al., 2011). À u cuntrariu, i neuroni VTA DA chì anu ricivutu un input inibitoriu nettu dimustranu un I assai chjucu_h o mancava stu currenti, chì hè coherente cù a nuzione chì l'LH manda un input principarmenti inhibitori nantu à i neuroni VTA DA chì prughjettanu à l'mPFC o a cunchiglia mediale di u NAc. Mostremu ancu chì l'inputs LH ponu esse osservati in VTA mediale è laterale, suggerendu chì l'LH furnisce inputs nantu à i neuroni VTA cù diversi miri di proiezzione, postu chì hè cunnisciutu chì u target di proiezione VTA currisponde un pocu à u locu spaziale longu un asse mediale-laterale ( Lammel et al., 2008).

U rolu di a via LH-VTA in a prumuzione di a ricumpensa hè stata precedentemente attribuita à a trasmissione glutamatergica in u VTA (Kempadoo et al., 2013), postu chì u promotore CaMKIIα hè spessu pensatu per esse selettivu per i neuroni di proiezione eccitatoria. In ogni casu, i nostri dati mostranu chjaramente chì l'espressione ChR2 sottu u cuntrollu di u promotore CaMKIIα hè ancu destinatu à i neuroni di proiezione GABAergic in u LH (Figura 6).

U cumpurtamentu suscitatu da a fotostimulazione di u LH^GABA- A via di VTA era frenetica, mal diretta è maladattiva (Movie S4). Una interpretazione hè chì l'attivazione di u LH^GABAA via -VTA manda un signalu à u mouse chì provoca a ricunniscenza di un rinforzu appetitivu. Una interpretazione alternativa hè chì u LH^GABAA via -VTA puderia guidà a salienza d'incentivazione o un intensu "vulente", coherente cù un accostu cundizionatu sottumessu di signale, ma à un livellu non fisiologicu chì produce stu cumpurtamentu aberrante di l'alimentazione (Berridge è Robinson, 2003). In cunfurmità cù questu, hè pussibule chì l'attivazione di u LH^GABA-Projezzione VTA in realtà pruduce sensazioni intense di brama, o urge à nutriscia. Tuttavia, i nostri esperimenti mostranu chì l'attivazione di LH^GABA-VTA ùn pruduce micca un aumentu di a ricerca compulsiva di saccarosi, ma questu hè prubabilmente dovutu à l'eccessivi gnawing è i cumpurtamenti aberranti appetitivi focu annantu à l'uggetti non alimentari in a camera di prova. Ancu s'ellu hè difficiule di determinà l'esperienza di u topu durante questa manipulazione, hè chjaru chì i cumpurtamenti di l'alimentazione di l'alimentazione adattati necessitanu l'attivazione coordinata di i cumpunenti GABAergici è glutamatergici di a via LH-VTA.

E manipulazioni optogenetiche è farmacogenetiche sò strumenti putenti per stabilisce relazioni causali, ma ùn revelanu micca e proprietà fisiologiche endogene di l'elementi di u circuitu neurale. U nostru studiu unifica l'infurmazioni nantu à a connettività sinaptica, a funzione endogena naturale, è u rolu causale di a via LH-VTA, chì furnisce un novu livellu di insight versu cumu l'infurmazione hè integrata in stu circuitu. Questi risultati mettenu in risaltu l'impurtanza di esaminà u rolu funziunale di i neuroni per a cunnessione, in più di i marcatori genetichi. I neuroni LH-VTA codificanu selettivamente l'azzione di ricerca di ricumpensa, ma ùn codificanu micca stimuli ambientali, mentre chì i stimuli gratificante è i segnali predittivi di ricumpensa sò stati codificati da una pupulazione discreta di neuroni LH a valle di u VTA. Inoltre, avemu identificatu una projezzione specifica chì hè causalmente ligata à u cumpurtamentu compulsivo di ricerca di saccarosi è alimentazione. L'eterogeneità in a projezzione LH-VTA hè necessaria per furnisce un equilibriu adattativu trà a motivazione di guida è a regulazione di i cumpurtamenti appetitivi adattati. Questi risultati furniscenu insights pertinenti à e cundizioni patologiche cum'è u disordine compulsivu di l'alimentazione eccessiva, l'addiction di zuccaru è l'obesità.