Reduzierte neuronale Hemmung und Koordination des adoleszenten präfrontalen Kortex bei motiviertem Verhalten (2011)

Einleitung

Die Adoleszenz ist eine Zeit der Anpassung, wenn man die physischen und psychosozialen Übergänge ins Erwachsenenalter vollendet (Arnett, 1999). Es wird auch als Zeitraum der Vulnerabilität betrachtet, da es mit dem Beginn von Symptomen für mehrere schwere psychiatrische Probleme zusammenfällt, einschließlich Stimmungsstörungen, Schizophrenie und Drogenmissbrauch (Volkmar, 1996; Kiefer, 2002; Johnston et al., 2008). In den letzten Jahren haben Studien an jugendlichen Menschen und Tiermodellen altersbedingte Veränderungen in der zellulären und molekularen Hirnarchitektur und Disparitäten in der pharmakologischen Wirkung verschiedener Medikamente beschrieben (Speer und Bremse, 1983; Speer, 2000; Adriani et al., 2004; Brenhouse et al., 2008; Paus, 2010). Auch altersbedingte Verhaltensunterschiede wurden untersucht und häufig in den Fokus gerückt, obwohl das Verhalten von Jugendlichen in den meisten Kontexten dem von Erwachsenen sehr ähnlich ist und sich ab der Mitte der Adoleszenz nur eine geringe Veränderung in der Entscheidungsfähigkeit ergibt (Speer, 2000; Doremus-Fitzwater et al., 2009; Figner et al., 2009; Caulfman et al., 2010). Dennoch können Jugendliche wichtige Ereignisse anders als Erwachsene verarbeiten. Zum Beispiel beobachtete eine neuere Studie eine größere Expression von c-fos-Protein im Adoleszenten als im adulten dorsalen Striatum und Nucleus accumbens nach Exposition mit einem belohnungsassoziierten Geruchssignal (Friemelet al. 2010). Unterschiede in den Messungen der neuronalen Aktivität und Konnektivität des jugendlichen präfrontalen Cortex (PFC) wurden ebenfalls beschrieben (Ernst et al., 2006; Galvan et al., 2006; Liston et al., 2006; Geier et al., 2009; Uhlhaas et al., 2009a). Über die genaue Art dieser altersbedingten Disparitäten auf neuronaler Ebene ist jedoch wenig bekannt.

Um die dynamische Verarbeitung von kortikalen Neuronen bei Jugendlichen mit denen von Erwachsenen direkt zu vergleichen, haben wir die Aktivität einzelner Einheiten und lokaler Feldpotentiale (LFP) aus dem orbitofrontalen Kortex (OFC) von Ratten gemessen, die ein belohnungsmotiviertes Verhalten zeigten. Das OFC wurde wegen seiner zentralen Rolle bei der Verarbeitung von Wertvorstellungen und früheren Hinweisen auf seine Unterentwicklung bei Jugendlichen ins Visier genommen (Schultz et al., 2000; Galvan et al., 2006; Schoenbaum et al., 2009). Die Verhaltensaufgabe bestand darin, auf eine erlernte Handlung-Ergebnis-Assoziation (Sturmanet al., 2010), die ein grundlegender Baustein komplex motivierten Verhaltens ist. Die Einfachheit dieser Aufgabe ermöglichte es, dass Verhaltensmassnahmen zwischen Gruppen sehr ähnlich sind. Wir könnten daher die Hypothese testen, dass selbst bei ähnlicher Aufgabenleistung der jugendliche OFC wichtige aufgabenbezogene Informationen anders kodiert als Erwachsene. Die Charakterisierung solcher grundlegenden neuronalen Aktivitätsunterschiede - und dies auf neuronaler Ebene - ist entscheidend für die Identifizierung von Entwicklungsprozessen, die mit den zunehmenden neuropsychiatrischen Risiken der Adoleszenz in Verbindung gebracht werden können, und für die zukünftige Gestaltung von Interventionsstrategien zur Prävention und Behandlung solcher Probleme.

Materialien & Methoden

Verhalten

Adulte und jugendliche Ratten wurden in einer operanten Box-Apparatur (Coulbourn Instruments, Allentown, PA) getestet, die ein Hauslicht enthielt, ein Pellet-Magazin, das Nahrungspellets (angereicherte Dextrose, 45 mg; Bio-serv, Frenchtown, NJ) in ein Futtertrog und drei Nasenlöcher, die horizontal an der Wand gegenüber dem Futtertrog angeordnet sind. Nach den 5-6-Tagen der chirurgischen Erholung wurden die Tiere leicht mit Nahrungsmitteln eingeschränkt, wurden an die Verhaltenstestvorrichtung gewöhnt und begannen mit dem Training der Verhaltensaufgabe, die zuvor charakterisiert wurde (Sturmanet al., 2010). Kurz gesagt, Ratten lernten, in ein beleuchtetes Loch in der Mitte der Nase zu stochern, um eine Nahrungsmittelpelletverstärkung zu erhalten. Die Versuche begannen mit dem Einsetzen eines Markierungslichts in der Mitte des Nasenlochlochs. Als die Ratte in dieses Loch stocherte, ging das Licht sofort aus und ein einzelnes Pellet wurde an den Futtertrog abgegeben, der dann beleuchtet wurde. Wenn man in den Futtertrog trat, um das Pellet zu erhalten, wurde das Futter durch Licht ausgeschaltet und ein Intervall zwischen den Versuchen der 5-s ausgelöst (Abbildung 1a). Jede Sitzung wurde nach 100-Versuchen oder dem Durchgang von 30 min beendet. Frühere Arbeiten zeigten, dass diese Aufgabe sowohl von Jugendlichen als auch von Erwachsenen schnell erlernt werden kann, mit der erwarteten maximalen Leistung bis zum dritten Trainingstag (Sturmanet al., 2010). Zu den Hauptaufgaben - Leistungsmessungen gehörten die Anzahl der gesamten Versuche, die während jeder Sitzung durchgeführt wurden, die Latenz vom Stichwort bis zum instrumentellen Stochern und die Latenz vom instrumentellen Stoßen bis zum Essen durch den Eintritt (Pelletwiedergewinnung). Für alle Ergebnismessungen in SPSS (alpha = 0.05) wurden Alter × -Sitzung-ANOVAs mit wiederholten Messungen durchgeführt. In allen Fällen, in denen die Annahme der Sphärizität verletzt wurde, wurden die Korrekturen der unteren Grenze für eine maximal konservative Einstellung der Freiheitsgrade verwendet.

Figure 1

Elektrodenplatzierungen, Aufgabenparadigma und Verhaltensleistung. A) Jugendliche und erwachsene Ratten wurden auf einem einfachen instrumentellen Lernparadigma trainiert, in dem sie einen Nasenstocher (instrumentelle Antwort) in ein lichtdurchflutetes Loch mit dem anschließenden assoziierten ...

Elektrophysiologische Analyse

Elektrophysiologische Daten wurden mit speziell geschriebenen Skripten analysiert, die in Matlab (Mathworks, Natick, MA) ausgeführt wurden, zusammen mit der Chronux-Toolbox (Chronux.org) für LFP-Analysen und Feuerratenvariabilitätsfunktionen, die Churchland und Kollegen freundlicherweise zur Verfügung stellten (http://www.stanford.edu/∼shenoy/GroupCodePacks.htm) (Churchland et al., 2010). Im Allgemeinen war die neurale Aktivität zeitlich auf bestimmte Aufgabenereignisse abgestimmt: Trial-Onset-Cue, instrumentelle Nose-Poke-Reaktion und Essen-Trog-Eintritt. Rohe LFP-Traces waren zeitabhängig für diese Task-Ereignisse, und Versuche mit Clipping-Artefakten wurden vor der Mittelwertbildung ausgeschlossen. Es werden Beispiele für die Dauermessungen von LFP-Spannungen während der Dauer der Bewehrung vorgestellt (Zusatzfigur 1). Das versuchsgemittelte Leistungsspektrum jedes Probanden in den Sekunden um jedes Aufgabenereignis wurde durch FFT berechnet. Dies wurde unter Verwendung von 13 führenden Verjüngungen, einem Zeitbandbreitenprodukt von 7 und einem sich über 1 s erstreckenden Bewegungsfenster (in Schritten von 250 ms) durchgeführt. Diese Parameter ermöglichten im Vergleich zu anderen, die wir untersucht hatten, eine Frequenzauflösung von ungefähr 2 Hz, was im Allgemeinen mehrere Frequenzbereiche in jedem interessierenden Band ermöglichte. Ein Multitaper-Ansatz wurde verwendet, da er die Spektrogrammschätzungen beim Umgang mit nicht unendlichen Zeitreihendaten verbessert (Mitra und Pesaran, 1999), obwohl die Verwendung von 1-, 3- und 9-Tapern zu sehr ähnlichen Spektrogrammen führte. Jeder Frequenzabschnitt (Reihe) im Leistungsspektrum war ein Z-Score, der auf die durchschnittliche spektrale Leistung während der Grundlinienperiode normalisiert wurde (ein 2-s-Fenster, das 3 s vor dem Cue beginnt). Normalisierte Leistungsspektren wurden für Jugendliche und Erwachsene gemittelt.

Peri-Event-Time-Firing-Rate-Histogramme wurden für jede Einheit in Fenstern um Task-Events erstellt. Die durchschnittliche Feuerrate jeder Einheit im Kreuzversuch wurde auf den Z-Score normalisiert, der auf den Wert ihrer Basisperiode normalisiert war. Einheiten wurden innerhalb von interessierenden Fenstern als "aktiviert" oder "gehemmt" kategorisiert, basierend darauf, ob ihre durchschnittliche normalisierte Aktivität drei aufeinanderfolgende 50-ms-Bins mit Z ≥ 2 bzw. Z ≤ -2 enthielt. Diese Kriterien wurden unter Verwendung einer nicht parametrischen Bootstrap-Analyse für den Basiszeitraum jeder Einheit validiert. Für jede Einheit wurde das Grundlinienfenster 10,000 Mal zufällig mit Ersatz abgetastet. Der Anteil der 2-s-Fenster, deren neu abgetastete Aktivität Signifikanzkriterien erreichte, ist ein Maß für die erwartete falsch-positive Rate für diese Einheit während eines 2-s-Fensters. Dies führte zu einer insgesamt erwarteten falsch-positiven Rate von Alpha = 0.0034 für alle jugendlichen Einheiten und Alpha = 0.0038 für alle erwachsenen Einheiten. Diese niedrigen Alphas weisen darauf hin, dass eine falsche Kategorisierung der Einheiten selten genug ist, um statistische Vergleiche der Kategorienanteile zwischen Jugendlichen und Erwachsenen nicht übermäßig zu beeinflussen. Um den zeitlichen Verlauf der Einheitenantworten zu vergleichen, wurde die Kategorisierungsanalyse mit einem sich bewegenden Fenster um Aufgabenereignisse durchgeführt (Größe des sich bewegenden Fensters 500 ms in Schritten von 250 ms). Für Zeitfenster von besonderem Interesse für altersbezogene statistische Vergleiche (z. B. in den 1 s nach dem Cue) wurden Chi-Quadrat-Analysen durchgeführt, die die Anzahl der aktivierten, inhibierten und nicht signifikanten Einheiten für Erwachsene und Jugendliche umfassten. Auf signifikante Chi-Quadrat-Tests folgten post-hoc-Vergleiche der Anteile für jede Kategorie (z. B. gehemmte Einheiten zwischen Jugendlichen und Erwachsenen) unter Verwendung eines Z-Tests für zwei Anteile (Tabelle 1). Frühere Arbeiten mit diesem Verhaltensparadigma haben gezeigt, dass sowohl Jugendliche als auch Erwachsene die instrumentelle Reaktion auf ein stabiles Maximum durch die Sitzung 3 (Sturmanet al., 2010). Sofern nicht anders angegeben, werden daher für die Sitzungen 3 bis 6 elektrophysiologische Analysen vorgelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Assoziation zwischen Aktion und Ergebnis von beiden Gruppen gut gelernt. Hier und anderswo wurde die Nullhypothese verworfen, wenn p <0.05 war.

Tabelle 1

Vergleich der Aktivitäten von Jugendlichen und Erwachsenen in ausgewählten Fenstern, die zeitlich auf Aufgabenereignisse festgelegt sind. Die Fenster von Interesse sind mit dem Cue, Instrumental-Poke (Poke) oder dem Eintritt in den Futtertrog (FT) verbunden. Der Anteil von Jugendlichen (Adol) und Erwachsenen ...

Analysen der Zündratenvariabilität wurden als Fano-Faktoren (Spike-Zählervarianz / Mittelwert) unter Verwendung eines 80-ms-Bewegungsfensters in 50-ms-Schritten berechnet. Für jede Einheit wurden zu jedem Zeitpunkt die Spike-Zählervarianz und die mittlere Spike-Anzahl berechnet. Die Steigung der Regression in Bezug auf Varianz und Mittelwert für alle Einheiten wurde bei jedem Fensterschritt bestimmt, was einen Zeitverlauf von Fano-Faktor um Taskereignisse liefert. Um zu untersuchen, ob beobachtete Änderungen des Fano-Faktors im Laufe der Zeit (und altersbedingte Fano-Faktordifferenzen) eher auf Änderungen der mittleren Feuerrate als auf Varianz zurückzuführen sind, haben wir eine von Churchland und Mitarbeitern entwickelte Methode der Mittelwertübereinstimmung (Churchland et al., 2010). In der ersten Analyse haben wir den Mittelwertabgleich für jugendliche und erwachsene Einheiten getrennt durchgeführt. Diese Technik hielt die mittlere Zündratenverteilung zu jedem Zeitpunkt konstant, indem die Einheiten zufällig und wiederholt verworfen wurden. Die Fano-Faktor-Schätzungen für jeden Zeitpunkt basieren auf dem Durchschnitt der 10-Iterationen dieses Prozesses. Dieses Verfahren wurde als wirksamer Ansatz zur Vermeidung von Artefakten aufgrund von Änderungen der Zündrate (Churchland et al., 2010). Darüber hinaus wurde eine separate Mean-Matching-Analyse durchgeführt, bei der das größte gemeinsame Histogramm der mittleren Feuerrate sowohl über die Zeit hinweg innerhalb einer Altersgruppe (wie oben) als auch zwischen Altersgruppen verwendet wurde. Die Beobachtung von ähnlichen rohen und mittleren übereinstimmenden Fano-Faktoren würde bestätigen, dass der zeitliche Verlauf und die altersbedingten Unterschiede im Fano-Faktor die Variabilität des Spitzenzeitpunkts widerspiegelten und nicht nur Artefakte von Unterschieden in der mittleren Feuerrate waren. Die jugendlichen und erwachsenen Fano-Faktoren wurden statistisch anhand von Rank-Sum-Tests in Matlab verglichen.

Die Ergebnisse

Lokale Feldpotenziale

Die elektrophysiologische Aufzeichnung von LFPs, ein Maß, das die Aktivität regionaler Afferenten widerspiegelt, zeigte während eines Großteils der Aufgabe ähnliche Verhaltensweisen für Jugendliche und Erwachsene, wobei die spektrale Kraft unmittelbar nach dem Eintritt in die Nahrungsaufnahme bemerkenswerte Unterschiede aufwies (Abbildung 2a). Zu dieser Zeit wiesen Erwachsene eine höhere Alpha- (8-12 Hz) - und Beta-Leistung (13-30 Hz) auf. Theta (4-7 Hz) und niedrige Gamma-Leistung (31-75 Hz) waren zwischen den Gruppen ähnlich, während Jugendliche eine höhere Gamma-Leistung (76-100 Hz) aufwiesen als Erwachsene (Abbildung 2b).

Figure 2

Jugendliche und Erwachsene OFC LFPs während der Sitzungen 3-6. A) LFP-Leistungsspektren für Jugendliche und Erwachsene in Fenstern um wichtige Aufgabenereignisse wurden für jede Frequenz auf die Baseline-Periode (3 bis 1 Sekunde vor Beginn der Stimmabgabe) normalisiert. Der Zeitverlauf von normalisiert ...

Fano-Faktor-Analyse

Altersbedingte Unterschiede wurden in der Feuerratenvariabilität beobachtet, die mit spezifischen Aufgabenereignissen assoziiert ist. Der Fano-Faktor, der die Steigung der Beziehung zwischen Spike-Count-Varianz und Spike-Count-Mittelwert darstellt (Churchlandet al. 2010), wurde berechnet, um die Variabilität des Spike Timings währendFigure 3). Jugendliche (8 Ratten, 265 Einheiten) hatten während der Sitzungen 4 bis 184 (Vergleiche mit Rang-Summen-Tests) während des 3-s-Basiszeitraums Z = 6, p <2 in a signifikant größere Fano-Faktoren als Erwachsene (6.90 Ratten, 0.01 Einheiten) 1-Sekunden-Fenster unmittelbar nach dem Beginn des Versuchs Cue Z = 5.48, p <0.01, in einem 1-Sekunden-Fenster, das um die instrumentelle Antwort Z = 3.12, p <0.01 zentriert ist, und in der einen Sekunde, die zum Wiederauffinden der Verstärkung führt, Z = 3.77 , p <0.01 (Figure 3). Da Fano-Faktorenberechnungen von Fenstergröße und -schritt abhängen, variierten wir diese Parameter in der Periode um den instrumentellen Poke herum, um zu zeigen, dass während der Größenordnung und Glätte der Berechnungen der allgemeine Zeitverlauf und altersbedingte Unterschiede bestehen bleiben (Zusatzfigur 2) .Wir führten eine Mittelwertbildungstechnik (Churchlandet al. 2010) die mittlere Feuerrate über die Zeit annähernd konstant zu halten, so dass zeitliche Feuerratenänderungen unsere Interpretation des Fano-Faktors als Maß für die Variabilität nicht verdecken würden (Ergänzende Abbildung 3a). Wir haben auch die Feuerratenverteilung zwischen Altersgruppen (Ergänzende Abbildung 3b). Die Raw-Fano-Faktoren waren denen sehr ähnlich, die mit einer der beiden Methoden berechnet wurden, was bestätigt, dass der beobachtete Zeitverlauf des Fano-Faktors die Variabilität des Spike-Timings widerspiegelt, unabhängig von der mittleren Feuerrate. Eine Ausnahme bildete die Verstärkung der Bewehrung, bei der Erwachsene größere rohe Fano-Faktoren aufwiesen (Figure 3). Dieser Unterschied war zumindest teilweise auf Änderungen der mittleren Feuerrate zurückzuführen, da es in diesem Zeitraum keinen statistisch signifikanten Unterschied bei den im Durchschnitt übereinstimmenden Fano-Faktoren gab (Zusatzfigur 3). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass herausragende Ereignisse zu einer Verringerung der Variabilität des Spike-Timings sowohl für Jugendliche als auch für Erwachsene führen, und interessanterweise ist das spintime Timing des jugendlichen OFC im Allgemeinen viel variabler als das von Erwachsenen während eines Großteils der Aufgabe. Es wird angenommen, dass Stimulus-getriebene Fano-Faktor-Reduktionen eine allgemeine Eigenschaft der kortikalen Architektur sind (Churchlandet al. 2010). Daher können höhere Fano-Faktoren eine intrinsische Tendenz für das Spike-Timing nahelegen, in der OFC von Heranwachsenden im Vergleich zu Erwachsenen weniger streng kontrolliert zu sein.

Figure 3

Fano-Faktor-Analyse zum Vergleich der Feuerratenvariabilität bei Jugendlichen und Erwachsenen. Der Fano-Faktor ist die Steigung der Spike-Count-Varianz pro Versuch und pro Spike-Zählung für alle Einheiten. Unter Verwendung eines Gleitfensters wurde diese Variabilitätsschätzung zu Zeitpunkten berechnet ...

Einheit Aktivität

Die Analyse der single-unit neuralen Aktivität während der Aufgabe ergab erhebliche ereignisspezifische Unterschiede zwischen Jugendlichen und Erwachsenen. Während der Sitzung 1 änderte sich die Aktivität der Einheit vor dem Erlernen der Assoziationen zwischen Aktion und Ergebnis nur wenig in Aufgabenereignisse in beiden Gruppen. Sobald die Aufgabe gut gelernt war (Trainingseinheiten 3-6), lösten Aufgabenereignisse jedoch konsistente Muster neuraler Aktivität aus (Figure 4). Die basisnormalisierten Feuerraten jeder Einheit, die zeitversetzt zu Aufgabenereignissen sind, sind in gezeigt Abbildung 5a, die den Bereich und das Ausmaß der phasischen neuralen Aktivität veranschaulichen. Bei Erwachsenen (4-Ratten, 184-Einheiten), aber nicht bei Jugendlichen (8-Ratten, 265-Einheiten) war die durchschnittliche Aktivität an der Stimmung und vor der instrumentellen Reaktion reduziert (Abbildung 5b). Nach der Reaktion fiel die normalisierte Populationsaktivität beider Gruppen gleichermaßen ab, wobei die Jugendlichen stärker zurückgeworfen wurden als Erwachsene. Um die Zeit der Verstärkung nahm die Populationsaktivität zu, wobei die Erwachsenen früher und auf einem niedrigeren Niveau als Jugendliche anstiegen. Maximale jugendliche Aktivität wurde zum Zeitpunkt des Essens durch Eintritt erreicht; Zu diesem Zeitpunkt war die durchschnittliche Aktivität der Erwachsenen viel niedriger. Obwohl zu wenige, um eine starke Schlussfolgerung zu ziehen, zeigten jugendliche (n = 8-Einheiten) und adulte (n = 5-Einheiten) vermeintlich schnell spiking (FS) Interneuronen ein ähnliches allgemeines Aktivitätsmuster um Ereignisse von Interesse als die allgemeine Bevölkerung von Einheiten während der Sitzungen 3 - 6 (Zusatzfigur 4) .Vergleiche des Anteils der exzitatorischen und inhibitorischen phasischen Aktivität zu Aufgabenereignissen (Abbildung 5c) zeigten im Allgemeinen reduzierte inhibitorische Reaktionen und ähnliche oder verstärkte exzitatorische Reaktionen bei Jugendlichen. In den 1 s nach dem Cue hatten Erwachsene einen signifikant größeren Anteil an inhibierten Einheiten als Jugendliche mit vergleichbaren Anteilen an aktivierten Einheiten (Tabelle 1). Nach der instrumentellen Reaktion, als Jugendliche und Erwachsene eine ähnliche Verringerung der Populationsaktivität hatten, wurden ähnliche Anteile von aktivierten und inhibierten Einheiten beobachtet. Eine Moving-Window-Kategorisierungsanalyse, die zur Visualisierung des zeitlichen Verlaufs der neuralen Rekrutierung verwendet wurde, zeigte, dass adulte inhibierte Einheiten um die instrumentelle Antwort früher gehemmt und länger aufrechterhalten wurden als bei Jugendlichen (Abbildung 5c). Dies wird durch Untersuchung der Anteile inhibierter Einheiten in Zeitfenstern 0.5 s vor und 1 - 1.5 s nach der instrumentellen Reaktion bestätigt (Tabelle 1). Während von Erwachsenen aktivierte Einheiten offenbar auch vor denen von Jugendlichen rekrutiert wurden, waren diese Unterschiede statistisch nicht signifikant. Die Anteile der als aktiviert und gehemmt eingestuften Einheiten unterschieden sich in Bezug auf die Verstärkung erheblich, wobei Erwachsene einen höheren Anteil an gehemmten Einheiten und Jugendliche einen größeren Anteil an aktivierten Einheiten aufwiesen. 0.5 - 1 s nach der Verstärkung gab es keine altersbedingten Unterschiede in der Einheitenkategorisierung. Diese Ergebnisse zeigen, dass, obwohl ähnliche Anteile jugendlicher und erwachsener Einheiten zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert oder gehemmt werden können (z. B. Instrumental Poke), Jugendliche bei einem Großteil der Aufgabe geringere Anteile gehemmter Einheiten hatten.

Figure 4

Durchschnittliche basisnormalisierte Feuerrate + 1 sem (Schattierung) für alle erwachsenen und jugendlichen Einheiten, zeitgebunden zu Aufgabenereignissen während jeder von sechs Sitzungen. Die mittlere aufgabenweite Feuerrate für alle jugendlichen Einheiten war 4.66Hz und alle Erwachseneneinheiten waren 5.18Hz. ...

Figure 5

Phasische OFC-Population und Aktivität einzelner Einheiten während der Sitzungen 3-6. A) Wärmekurven repräsentieren die normalisierte Feuerungsrate für jede jugendliche (n = 265; obere Parzellen) und erwachsene (n = 184; untere Parzellen) Einheit. Jede Zeile ist die Aktivität einer einzelnen Einheit ...

Diskussion

Sowohl auf der Ebene der Bevölkerung als auch auf der Ebene der einzelnen Einheiten verarbeitete das jugendliche OFC belohnungsmotiviertes Verhalten anders als das von Erwachsenen, wobei der deutlichste Unterschied weniger ausgeprägte Herabsetzung der neuralen Aktivität bei Belohnung und anderen hervorstechenden Ereignissen war. Jugendliche zeigten auch während eines Großteils der Aufgabe eine größere Spike-Timing-Variabilität. Während der Verstärkung gab es neben einer geringeren Aktivitätsreduktion einen größeren Anteil an jugendlichen Einheiten, die ihre Aktivität erhöhten, sowie Unterschiede in der Alpha-, Beta- und Gamma-LFP-Leistung im Vergleich zu Erwachsenen. Es ist wichtig, dass diese altersbedingten neuronalen Verarbeitungsunterschiede beobachtet wurden, obwohl die Aufgabenleistung ähnlich war, was darauf hindeutet, dass solche Unterschiede nicht einfach einen Verhaltenskonflikt widerspiegeln (Schlaggar et al., 2002; Yurgelun-Todd, 2007). Selbst wenn zusätzliche Subjekte Verhaltensunterschiede während des frühen Trainings aufzeigen sollten, führten sowohl Heranwachsende als auch Erwachsene die Aufgabe ab der dritten Sitzung auf einem maximalen Niveau aus. Unsere elektrophysiologischen Analysen konzentrierten sich auf diese späteren Sitzungen, in denen die Verknüpfung von Handlung und Ergebnis von beiden Gruppen gut gelernt wurde. Wir wählten eine Verhaltensaufgabe, die, obwohl sie einfach genug ist, um in der kurzen Zeit der Rattenpubertät gelernt zu werden, als Grundbaustein für komplexeres motiviertes Verhalten angesehen werden könnte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst wenn Jugendliche dasselbe motivierte Verhalten wie Erwachsene ausüben, ihre neuronale Kodierung von hervorstechenden Ereignissen und der offensichtlichen Verarbeitungseffizienz (in Bezug auf die Spike-Timing-Variabilität) grundlegend unterschiedlich sind.

Heranwachsende Neurone tendierten dazu, während wichtiger Verhaltensereignisse, wie dem Testbeginn, vor der instrumentellen Reaktion und vor und während der Belohnung, eine geringere Aktivität zu zeigen als Erwachsene. Solche altersbedingten Unterschiede könnten auf eine geringere OFC-neuronale Hemmung zu diesen Zeiten zurückzuführen sein. Die neuronale Hemmung spielt eine entscheidende Rolle bei der Synchronisation der oszillatorischen Aktivität (Fries et al., 2007; Cardinet al., 2009; Sohal et al., 2009), Kontrolle der präzisen Spike-Timing und Verbesserung der Effizienz der neuronalen Kommunikation (Buzsaki und Chrobak, 1995). Solche Oszillationen, wie sie mit EEG und LFP gemessen werden, sind rhythmische Fluktuationen der neuronalen Erregbarkeit, von denen angenommen wird, dass sie die Interaktionen von intrinsischen zellulären und Schaltkreiseigenschaften widerspiegeln (Buzsaki und Draguhn, 2004), die das Timing der Spike-Ausgabe (Pommes, 2005). Die Synchronie der Oszillationen kann eine Verbindung für die Kommunikation neuronaler Gruppen (Pommes, 2005), und kann für perzeptuelle Bindung und andere Prozesse von zentraler Bedeutung sein (Uhlhaas et al., 2009b). Messungen der neuronalen Synchronität in spezifischen Frequenzbändern korrelieren mit kognitiven Leistungen in zahlreichen Kontexten (Basar et al., 2000; Hutcheon und Yarom, 2000) und sind in verschiedenen pathologischen Zuständen, wie Schizophrenie (Uhlhaas und Sänger, 2010). Uhlhaas und Kollegen haben Unterschiede in den aufgabenbezogenen EEG-Oszillationen zwischen menschlichen Jugendlichen und Erwachsenen gefunden (Uhlhaas et al., 2009a). Übereinstimmend mit diesen Ergebnissen fanden wir einen geringeren Anstieg der Alpha- und Beta-Power in der OFC von Jugendlichen während der Verstärkung. Von diesen Frequenzbändern wird angenommen, dass sie für die neurale Kommunikation über größere Entfernungen wichtig sind (Pfurtscheller et al., 2000; Brovelli et al., 2004; Klimesch et al., 2007), die bei Jugendlichen weniger effizient sein könnten. Diese Interpretation steht im Einklang mit Studien, die zeigen, dass sich funktionale Konnektivität von lokaler zu mehr verteilt durch Entwicklung verändert (Fair et al., 2009; Somerville und Casey, 2010).

Wir beobachteten auch altersbedingte Unterschiede in der Variabilität der Feuerrate in verschiedenen Studien, die anhand einer Fano-Faktor-Analyse untersucht wurden. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass die Spikeaktivität von Neuronen in vielen kortikalen Regionen durch Stimuli oder instrumentelles Verhalten stabilisiert wird, was sich in reduzierten Fano-Faktoren widerspiegelt (Churchland et al., 2010). Tatsächlich beobachteten wir, dass im OFC instrumentelles Verhalten, Belohnungsansatz / -prognose und Verstärkung (bei Erwachsenen) zu einer Verringerung unseres Maßes an Feuerratenvariabilität führten. Die größte Verringerung der Variabilität trat auf, als Ratten die instrumentelle Reaktion und in der Zeit vor der Verstärkung durchführten. Eine größere Feuerratenvariabilität wäre zu erwarten, wenn das Timing der phasischen neuralen Aktivität weniger streng kontrolliert wäre, wie dies bei der OFC von Jugendlichen der Fall ist. Jugendliche hatten größere Fano-Faktoren als Erwachsene mit einem großen Teil der Aufgabe, mit Ausnahme der 1-s-Periode unmittelbar nach dem Essen-Trog-Eintritt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Jugendliche eine größere Feuerratenvariabilität haben, was auf eine verminderte Effizienz bei der neuronalen Kodierung hindeutet. Das heißt, größere Fano-Faktoren zeigen an, dass jugendliche OFC-Neuronen die gleichen hervorstechenden Ereignisse mit größerer Variabilität von Versuch zu Versuch codieren, was wiederum niedrigere Signal-Rausch-Verhältnisse in dem entsprechenden Ratencode verglichen mit dem von Erwachsenen bedeuten kann. Dies steht im Einklang mit der Erkenntnis, dass die ereigniskorrelierten Potenziale von Kindern und Jugendlichen geringere Signal-Rausch-Verhältnisse aufweisen als Erwachsene, was auf eine "intraindividuelle Instabilität" von Hirnregionen zurückzuführen sein könnte, die diese Signale produzieren (Segalowitz et al., 2010). Genauso wie die neuronale Hemmung für das Mitreißen von Oszillationen kritisch ist, bieten inhibitorische Netzwerke eine präzise Zeitsteuerung für das Spicken von Hauptzellen (Buzsaki und Chrobak, 1995). Somit kann eine Verbindung zwischen der Tendenz für jugendliche Einheiten, eine weniger phasische Hemmung für hervorstechende Ereignisse zu zeigen, und der größeren Feuerratenvariabilität von jugendlichen Einheiten bestehen. Wir müssen jedoch Vorsicht walten lassen, dass eine solche Verbindung wahrscheinlich nicht direkt ist, da der Zeitpunkt der größten Fano-Faktor-Disparitäten nicht auch der Zeitpunkt der größten Unterschiede in der phasischen Hemmung war.

Während der Adoleszenz treten massive neurologische Entwicklungsveränderungen auf. Während dieser Zeit kommt es zu einer Verringerung der grauen Substanz und zu einer Zunahme der weißen Substanz (Benes et al., 1994; Paus et al., 1999; Paus et al., 2001; Sowell et al., 2001; Sowell et al., 2002; Sowell et al., 2003; Gogtay et al., 2004). Rezeptoren für mehrere Neuromodulatoren wie Dopamin werden bei Jugendlichen im Vergleich zu Erwachsenen bei PFC und Basalganglien in höheren Konzentrationen exprimiert (Gelbard et al., 1989; Lidow und Rakic, 1992; Teicher et al., 1995; Taraziet al., 1999; Tarazi und Baldessarini, 2000). In anästhesierten Ratten ist die spontane neurale Aktivität von Dopaminneuronen bei Jugendlichen größer als bei Jugendlichen oder Erwachsenen (McCutcheon und Marinelli, 2009). In kortikalen Schnitten sind aktivierende Effekte eines Dopamin-D2-Rezeptor-Agonisten nur in der späten Adoleszenz oder im frühen Erwachsenenalter vorhanden, zu welcher Zeit eine plötzliche Verschiebung beobachtet wird (Tseng und O'Donnell, 2007). Die Expression von NMDA-Rezeptoren auf Fast-Spiking (FS) Neuronen ändert sich auch dramatisch in der PFC von Jugendlichen. Die Mehrheit der jugendlichen FS-Interneuronen weist keine synaptischen NMDA-Rezeptor-vermittelten Ströme auf. Jene Zellen, die sie haben, zeigen ein weit reduziertes NMDA: AMPA-Verhältnis (Wang und Gao, 2009). Diese Studien zeigen grundlegende Unterschiede in der Architektur und Physiologie jugendlicher Hirnregionen und Transmitter, die mit motiviertem Verhalten und psychiatrischer Vulnerabilität assoziiert sind. Die vorliegende Studie, die unseres Wissens die erste extrazelluläre elektrophysiologische Aufzeichnung bei wachen, sich benehmenden heranwachsenden Tieren ist, verbessert die funktionelle Relevanz dieser zellulären und molekularen Befunde, indem sie zeigt, dass die aufgabenbezogene neuronale Aktivität bei Heranwachsenden grundlegend anders ist Veranstaltungen.

Humane fMRT-Studien haben gezeigt, dass Jugendliche Belohnung und Belohnungserwartung anders als Erwachsene auf einer größeren regionalen Ebene (Ernst et al., 2005; Galvan et al., 2006; Geier et al., 2009; Van Leijenhorst et al., 2009). Aktuelle Erklärungen für einige jugendliche Verhaltensanfälligkeiten beinhalten die Vorstellung, dass der PFC in Bezug auf seine Aktivität und / oder seine funktionelle Konnektivität mit und Modulation von subkortikalen Strukturen "unterentwickelt" ist (Ernst et al., 2006; Casey et al., 2008; Steinberg, 2008). Die vorliegende Studie stellt fest, dass Entwicklungsunterschiede selbst während sehr grundlegender belohnungsmotivierter Verhaltensweisen beobachtbar sind und sich auf der Einzeleinheitsebene grundlegend durch eine verringerte Neigung zu verringerter neuraler Aktivität in jugendlichen OFC zu den meisten, aber nicht allen hervorstechenden Ereignissen manifestieren. Während zukünftige Arbeit benötigt wird, um eine solche Verbindung zu etablieren, können Differenzen auf der Ebene der einzelnen Einheiten in den Anteilen der inhibitorischen Reaktionen die Quelle einiger der beobachteten Unterschiede in der Oszillationsleistung und Spike-Timing-Variabilität sein. Wegen der Bedeutung der Inhibition bei der Kontrolle des genauen Timings von Spikes, Mitreißungsschwingungen und somit zur Erleichterung der effizienten Kommunikation von neuronalen Gruppen (Buzsaki und Chrobak, 1995; Fries et al., 2007), ist die verminderte PFC-Inhibition von Jugendlichen mit der Beobachtung von großräumigen Unterschieden in der kortikalen Verarbeitung vereinbar, die in dieser und anderen Studien beobachtet wurden. Die Tendenz für Heranwachsende zu einer geringeren Verringerung der Aktivität der Einheit um hervorstechende Ereignisse kann jedoch aus einer geringeren Verringerung der Aktivität von erregenden Afferenzen sowie einer verringerten Hemmung resultieren.

Eine veränderte kortikale inhibitorische Aktivität kann die Verhaltenshemmung beeinflussen (Chudasamaet al., 2003; Narayanan und Laubach, 2006) und wurde mit einigen pathologischen Zuständen in Verbindung gebracht (Chamberlain et al., 2005; Lewis et al., 2005; Behrens und Sejnowski, 2009; Lewis, 2009). Zum Beispiel haben Individuen mit Schizophrenie die GAD67-mRNA-Expression reduziert, ein Enzym, das an der Synthese des inhibitorischen Neurotransmitters GABA beteiligt ist (Akbarianet al., 1995). Schizophrenie-Patienten haben außerdem GABA-Membrantransporter (GAT-1) -immunoreaktive Axonpatronen in der PFC (Woo et al., 1998). Dies ist von besonderer Relevanz für die Forschung an Jugendlichen, da immunreaktive GAT-1-Kartuschen (die ebenfalls gegen Parvalbumin immunreaktiv sind) kurz vor der Pubertät ihren Höhepunkt erreichen und sich dann in der späten Adoleszenz dramatisch reduzieren (Cruz et al., 2003), der typische Beginn der Schizophrenie. Zukünftige Arbeiten, die die genaue Quelle der altersbedingten phasischen Aktivität während der normalen Entwicklung beschreiben, können direkt relevant für die Pathophysiologie und den symptomatischen Zeitverlauf von psychiatrischen Erkrankungen sein, die während der Adoleszenz auftreten.

Ergänzungsmaterial

Anerkennungen

Bibliographie