A Striatum a serdülőknél a felnőttek és a felnőttek között másképpen jutalmazza a jutalmat (2012)

Proc Natl Acad Sci USA A. 2012 Jan 31, 109 (5): 1719-24. Epub 2012 Jan 17.

forrás

Idegtudományi Tanszék, Pittsburgh Egyetem, Pittsburgh, PA 15260, USA.

Absztrakt

A serdülők gyakran másképp válaszolnak, mint a felnőttek, ugyanolyan kiemelkedő motivációs kontextusokban, mint a peer interakciók és az élvezetes ingerek. A jelenség megértése, valamint a súlyos viselkedési és pszichiátriai sebezhetőségek, például a kábítószerrel való visszaélés, a hangulati rendellenességek és a skizofrénia megértése szempontjából kritikus fontosságú a serdülők neurális feldolgozási különbségeinek meghatározása. Úgy véljük, hogy az életkorral kapcsolatos változások a legfontosabb agyrégiókban a kiemelkedő ingerek módszereiben alapulhatnak a serdülőkori egyedülálló előrejelzések és sebezhetőségek. Mivel a motivált magatartás a központi kérdés, döntő fontosságú, hogy az agyi aktivitás életkorral kapcsolatos összehasonlítása a motivációs kontextusban történjen. Az egyedülálló aktivitást és a helyi terepi potenciálokat összehasonlítottuk a serdülők és a felnőtt patkányok magvakban (NAc) és a dorsalis striatumban (DS) a jutalom motivált műszeres feladat során. Ezek a régiók motivált tanulásban, jutalmak feldolgozásában és akció kiválasztásában vesznek részt. A serdülőkori idegrendszeri feldolgozási különbségeket a DS-ben jelentjük, amely egy régió, amely többnyire a tanulással kapcsolatos, mint a felnőttek jutalmazási feldolgozása. Pontosabban, a serdülők, de nem felnőttek, nagy arányban rendelkeztek a DS neuronjaival, amelyek a jutalom előrejelzésével aktiválódtak. A két korcsoport NAc-jében több hasonló reakciót figyeltünk meg. A DS-ek egy egységes aktivitási különbségei hasonló lokális potenciál-ingadozások ellenére is megfigyelhetők. Ez a tanulmány azt mutatja, hogy serdülőkben a tanulás és a szokások kialakulása szempontjából kritikusan érintett régió nagyon érzékeny a jutalomra. Így olyan mechanizmust javasol, amely lehetővé teszi, hogy a jutalmak másképp alakítsák ki a serdülők viselkedését, és az érzelmi zavarok iránti fokozott sebezhetőségüket.

Kulcsszavak: fejlődés, bazális ganglionok, függőség, depresszió, elektrofiziológia

A serdülőkorban számos idegrendszeri változás következik be (1), amelyek befolyásolhatják, hogy a legfontosabb események, mint például a jutalmazó ingerek dolgozzanak fel. Az ilyen idegrendszeri változások az emlősfajoknál a serdülőknél megfigyelhető közös viselkedési előrejelzések egyikét képezhetik, mint például a fokozott kockázatvállalás (1-5), valamint a növekvő tendenciák kialakulását, mint a függőség, a depresszió és a skizofrénia (\ t6-8). Mielőtt megérthetnénk ezen sérülékenységek idegi szubsztrátját, először meg kell tanulnunk a serdülők agy tipikus neurális feldolgozási mintáit, összehasonlítva a felnőttekéval.

A serdülőkorban minden viselkedési és pszichiátriai sebezhetőség lényegében a motivációs kontextusban nyilvánvaló. Ezért fontos a serdülők neurális aktivitásának összehasonlítása a felnőttekénél a motivált viselkedés során. A motivált viselkedés olyan tevékenység, amely megkönnyíti a szervezet és az ingerek fizikai kapcsolatának kiigazítását (pl. Egy adott jutalom valószínűsége vagy közelsége) (9). Az ilyen viselkedési összefüggések azonban természetesen bonyolítják az idegi aktivitás elemzését: Honnan tudjuk, hogy a neurális különbségek nem csupán a két korcsoport közötti viselkedési teljesítménybeli különbséget tükrözik? A neurális feldolgozásban rejlő különbség pusztán egy viselkedési zavarnak köszönhető, vagy vannak alapvető különbségek abban, ahogy a serdülők motivációs kontextusban kódolják és dolgozzák fel a kiemelkedő eseményeket? In vivo egyegységes elektrofiziológiai felvételt hajtottunk végre, hogy összehasonlítsuk a serdülők idegaktivitását a felnőttek aktivitásával a szembetűnő események során, amikor a viselkedési teljesítmény nem volt megkülönböztethető a két csoport között (pl. Jutalom visszakeresési késések késői foglalkozásokon, amikor a feladatot jól megtanulták). Ennek során hatékonyan használtunk egy „viselkedési bilincset”, amely lehetővé tette számunkra, hogy azonosítsuk az életkorral kapcsolatos alapvető feldolgozási különbségeket, amelyeket a teljesítmény nem tévesztett meg.

Annak ellenére, hogy a serdülők agyának nagy részét ilyen módon kell megvizsgálni, a dorsalis striatumra (DS) és a nucleus accumbens-re (NAc) koncentráltunk, mivel ezek központi szerepet játszottak a motivált viselkedésben. Ezek az agyrégiók együttesen részt vesznek a társulási tanulásban, a szokások kialakításában, a jutalom feldolgozásában és a viselkedési minták adaptív szabályozásában (10-13). A striatum az érzékszervi, motoros és kognitív folyamatokban résztvevő kérgi régiókból származó vetületeket kap (14), valamint a dopaminerg bevitel (15). A ventrális striatum részét képező NAc afferenseket kap az amygdala-tól (16) és prefrontális kéreg (17), és a ventrális tegmentális terület dopaminerg afferensei (18). Az NAC-t kulcsfontosságúnak tekintik a cselekvés motivációjának fordításához (19), és központi jelentőségű néhány olyan hipotézis szempontjából, amely a serdülők kockázatvállalásának és érzéskeresésének neurobiológiai alapjául szolgál.5, 20, 21).

Eredmények

A DS és a NAc neurális egység aktivitását rögzítette (S1) serdülők (n = 16) és felnőtt (n = 12) patkányok, amikor megtanulták a műszeres akciót (piszkot) a jutalmi eredményhez (élelmiszer-pellethez) kapcsolni; Ábra 1A). A viselkedési adatok együttesen jelennek meg (Ábra 1 B-D), mivel a régiók között nem volt statisztikai különbség. Az ülésszakonkénti kísérletek számában nem volt jelentős az életkorral kapcsolatos különbség a képzésben [F(1, 1) = 1.74, P = 0.20]; a késleltetés a cue-ról az instrumentális piszkára [F(1, 1) = 0.875, P = 0.36]; vagy a késleltetés a hangszeres dugóról az élelmiszer-vályúba való belépésig [F(1, 1) = 0.82, P = 0.36]. Úgy tűnt, hogy a korai szekciókban a cue megjelenésétől a instrumentális poke-ra való késés eltérő volt, bár ez nem volt statisztikailag szignifikáns, és három olyan élőlény vezette, amely még nem tanulta meg a szövetséget (Ábra 1C, Betétlap). Az 4 munkamenetből minden intézkedés mindkét korcsoportban stabil volt. Ezekben a munkamenetekben az átlagos felnőtt és serdülőkor késleltetése a táplálék-vályúba való belépéstől (átlagos ± SEM) 2.47 ± 0.12 s és 2.54 ± 0.17 s volt.

Fig. 1.

Viselkedési feladat és teljesítmény. (A) A feladatot egy falon lévő három lyukú operáns dobozban és egy ellentétes falon lévő étkezőt végeztük. A kísérletek akkor kezdődtek, amikor a középső lyukon (Cue) bekapcsolt fényt kapcsoltunk be. Ha a patkány behatolt a lyukba (Poke), a ...

Megfigyeltük, hogy a műszeres és a táplálkozási bemeneten belüli DS-idegpopulációs reakciók következetesek, mivel a patkányok megtanulták az akció-kimenet összefüggést, és számos kísérletet végeztek minden egyes munkamenet során (azaz 4 – 6; S2A). A 4 – 6 munkamenetek szorosabb vizsgálata során a neuronok csoportjainak aktivitása hasonló, míg másokban jelentős különbségek tapasztalhatók.Ábra 2). A vizsgált neuronok körülbelül 10% -a aktiválódott a próba kezdetén, és kevés sejt gátolt (Ábra 2 A és a C, Bal). A serdülők és felnőttek aránya Z-cores ebben az időben nem különbözött (Z = 1.066, P = 0.29; Ábra 2B, Bal). Az aktivált, gátolt és nem szignifikáns idegsejtek arányában az életkorral kapcsolatos különbségek nem voltak jelen [2(2, n = 570) = 2.35, P = 0.31; Táblázat 1]. Az aktivált sejtek aránya és aktivitásuk nagysága mindkét csoportban nőtt a instrumentális válasz előtt, bár az ilyen mértékű növekedés nagyobb volt a serdülőknél (Z = −2.41, P = 0.02; Ábra 2B, Központ). Az 0.5-ek során a műszeres piszkát megelőzően a válasz típusú arányokban az életkorral kapcsolatos különbségek jelentősek voltak [χ2(2, n = 570) = 10.01, P <0.01], ezt a hatást a felnőttek által gátolt egységek nagyobb hányada (Z = 3.05, P <0.01; Táblázat 1). Közvetlenül a műszeres válasz után a korábban aktivált sejtek gátolódtak, és sok olyan egység, amely korábban nem volt bekapcsolva (Ábra 2A, Központ). Ez a populációs aktivitás átmeneti lefelé irányuló alakváltozásához vezetett, ami az életkor-specifikus rátáknál ismét emelkedett, és a statisztikai válaszok után a 0.5-ek során továbbra is statisztikai különbségek voltak a serdülők és felnőttek aktivitása között.Z = 2.19, P = 0.03; Ábra 2B, Központ). Ebben az időszakban a válasz típusok arányai ismételten különböztek a két [χ2(2, n = 570) = 10.57, P <0.01], a felnőttek által aktivált egységek nagyobb hányada miatt (Z = 2.87, P <0.01; Ábra 2C, Központ és a Táblázat 1). Azok a neuronok közül sok, akik megnövelték aktivitásukat a műszeres piszkával szemben, átmenetileg gátolódtak, majd ismét aktiválódtak, mielőtt beléptek az étkezési edénybe (a hőgazdálkodási sorok vörös-kék-piros mintázatúak) Ábra 2A, Központ). A minta időzítése a serdülők és a felnőttek között különbözött. A serdülőkori neuronok jelentős része a jutalomig aktív maradt. Az ilyen „jutalom-előrejelző neuronok” a felnőttek körében ritkán fordultak elő (Ábra 2A, Jobb). Az időbeli eltéréseken túl az 0.5-ekben az élelmiszer-vályúba való belépést megelőzően aktivált serdülő idegsejtek is nagyobb mértékűek voltak.Z = −7.63, P <0.01; Ábra 2B, Jobb). Ez az általános tevékenységi minta az 4 – 6 szekciók során viszonylag stabil volt.Film S1), bár az egységek véletlenszerű mintavétele egyes egységeken belül az egységen belüli \ tS3). Az aktivált és gátolt egységek aránya különbözött [χ2(2, n = 570) = 41.18, P <0.01], serdülőknél és felnőtteknél jelentősen nagyobb az aktivált arány (Z = −6.21, P <0.01) és a gátolt egységek (Z = 4.59, P <0.01; Ábra 2C, Jobb és a Táblázat 1). Az 0.5-ekben az étkezési edény elérése után a serdülők továbbra is erősebb aktivitást mutattak (Z = –6.43, P <0.01). Az aktivált, gátolt és jelentéktelen arányok változatlanok maradtak, mint közvetlenül az élelmiszer-vályúba való belépés előtt [χ2(2, n = 570] = 31.18, P <0.01; Ábra 2C, Jobb és a Táblázat 1). Ismét a serdülőknek nagyobb aránya volt az aktivált egységeknek (Z = –4.89, P <0.01) és a gátolt egységek kisebb hányada ebben az időben (Z = 4.36, P <0.01).

Fig. 2.

DS egység aktivitása. (A) A hőterületek az egyes serdülők fázisos egy egységes aktivitását képviselik (n = 322) és felnőtt (n = 248) egység (sor) az 4 – 6 munkamenetek alatt, a feladat eseményekre zárolt idő és a legalacsonyabb és a legmagasabb átlag nagyságrendbe rendezve. Breaks ...
Táblázat 1.

A serdülők és felnőttek DS és NAc egységeinek összehasonlítása kiválasztott időablakokban

Az NAc-ben az átlagos serdülőkor és a felnőttkori spiking tevékenység kis vagy változó feladathoz kapcsolódó válaszoktól következetesebb mintákig terjedt (S2B). Az 4 munkamenetben mindkét csoport hasonló mértékű növekedést mutatott, majd a műszeres ütemben csökkentette a fázisos aktivitást. Ez a minta kifejezettebb volt, ami a jutalmat (az élelmiszer-vályú belépését) és az ezt követő követéshez vezetett. A NAc fázisos neurális aktivitásának közelebbi vizsgálata számos szoros hasonlóságot mutat a neuronális aktiváció és gátlás mintázatában és mértékében, valamint néhány jelentős különbséggel (Ábra 3). Pontosabban, a cue fény kezdete a NAc neuronok körülbelül 10% -ának aktiválódásához vezetett mind a serdülőknél, mind a felnőtteknél, kevés idegsejt gátolva, és ebben az időben nem volt szignifikáns korfüggő különbség az aktivált vagy gátolt neuronok arányában [ χ2(2, n = 349) = 1.51, P = 0.47], és nincs különbség a teljes populációs aktivitásban (Z = 1.82, P = 0.07; Ábra 3, Bal). Miután a neuronok aktiválódtak egy próbára, hajlamosak aktiváltak maradni az állat táplálékvályúba jutásáig. Az időbeli dinamika olyan volt, hogy az idegsejtek bizonyos hányada erősebben aktiválódott mind az instrumentális piszkálás, mind az ételvályú bejutása körül. A népesség aktivitásában nincsenek életkorral kapcsolatos különbségek (Z = –0.16, P = 0.87) vagy egységkategóriák aránya [χ2(2, n = 349) = 0.22, P = 0.90] a műszeres piszkot megelőző 0.5-ekben található. A hangszeres ütés után a felnőttek magasabb átlagos aktivitást mutattak (Z = 4.09, P <0.01) és az egységkategória-arányok közötti különbségek [χ2(2, n = 349) = 7.23, P = 0.03] a felnőtt aktivált neuronok nagyobb aránya miatt (Z = 2.53, P = 0.01; Ábra 3C, Központ és a Táblázat 1). Hasonlóképpen, magasabb átlagos felnőtt aktivitást figyeltek meg az 0.5-ekben az étkezési mélyedés előtt (Z = 2.67, P <0.01), és ismét eltérő egységkategória-arányokat figyeltünk meg [χ2(2, n = 349) = 6.64, P = 0.04] a felnőtt aktivált egységek jelentősen nagyobb aránya miatt (Z = 2.32, P = 0.02; Ábra 3C, Jobb és a Táblázat 1). Ebben az időszakban a próba-kísérleti idegrendszeri aktivitás még mindig bizonyos mértékű stabilitást mutatott, de kisebb volt, mint a DS-ben (Film S2). Az élelmiszer-vályúba való belépés után az 0.5-ekben nem volt szignifikáns életkori különbség a populációs aktivitásban.Z = −0.61, P = 0.54), bár az egység arányos különbségek voltak jelen [χ2(2, n = 349) = 7.81, P = 0.02]. Ez tükrözi a gátolt serdülőkészülékek szignifikánsan nagyobb arányát ebben az időben (Z = −2.81, P <0.01; Ábra 3C, Jobb és a Táblázat 1). Így, bár voltak különbségek a csoportok között, a neurális válaszok általános mintája (és az egységek közötti aktivitás) hasonló volt a NAc-ben, mint a DS-ben.

Fig. 3.

NAc egység tevékenysége. (A) A hőterületeken serdülők (n = 165; Felső) és felnőtt (n = 184; Alsó) az 4 – 6 szekciók mindegyik neuronjának normalizált tüzelési sebessége, a feladat eseményekre zárolt idő. (B) Átlagos normalizált tüzelési sebesség minden serdülőnél ...

Az átlagos normalizált LFP-spektrogramok hasonlóak voltak a serdülők és a felnőttek esetében mind a NAc-ben, mind a DS-ben (Ábra 4). A táplálékba történő belépés előtt az NAc-ben a serdülők és a felnőttek csökkent teljesítményt mutattak a β (13–30 Hz) és a γ (> 30 Hz) sávokban, a felnőtteknél pedig nagyobb mértékű a γ-teljesítmény csökkenés. A táplálékvályúba való bejutás után mindkét csoport átmeneti β-teljesítmény növekedést mutatott 20 Hz körül. Az alacsonyabb frekvenciákon, például power (3–7 Hz) és α (8–12 Hz), a serdülőkori LFP teljesítmény nagyobb tendenciát mutatott, a táplálék vályúba való belépést követően jelentős, az életkorral kapcsolatos különbségek ~ 500 msÁbra 4 A és a B). Hasonló mintákat tapasztaltak a DS-ben, a felnőttek enyhén erősebbek voltak a β-teljesítményben az étkezési edénybe való belépés után (Ábra 4 C és a D). Összességében a statisztikai kontraszt térképek (Ábra 4 B és a D) mutassák be a serdülők és a felnőttek jutalmakkal összefüggő LFP-tevékenységének hasonlóságát sok frekvencián, számos megjegyzés kivételével.

Fig. 4.

Serdülők vagy felnőtt felnőtt LFP-k a NAc és DS díjazása körül. (A és a C) Serdülők (Felső) és felnőtt (Alsó) spektrogramok, amelyek jelzik a normál LFP teljesítmény növekedését és csökkenését a NAc-ben (Bal) és DS (Jobb) az élelmiszer-vályú belépéséhez szükséges időzár. ...

Megbeszélés

Erős jutalomhoz kapcsolódó aktivációt találtunk a serdülőknél, de nem felnőtt DS-ben, ami a szokások kialakulásához és a viselkedési minták adaptív szabályozásához kapcsolódik.11-13, 22). A NAc hasonló módon reagált mindkét korcsoportban; bár néhány egységaktivitási különbség látható volt a NAc-ben, ezek a különbségek kisebbek és átmenetiebbek voltak, és a neurális aktivitás időbeli lefutása nagyon hasonló volt a régióban. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a serdülőkorban a bazális ganglion-struktúrák funkcionális értelemben vett jutalmának feldolgozásával kapcsolatos regionális heterogenitás, és a DS-sel együtt azt javasolják, hogy a serdülőkori idegfeldolgozási különbségek eddig elhanyagoltak, amelyek közvetlenül összefügghetnek az életkorhoz kapcsolódó sebezhetőségekkel. Azt is megállapítottuk, hogy bár jelentős mértékű életkorral kapcsolatos különbségeket észleltek az egység szintjén, az ilyen különbségek nem voltak könnyen megfigyelhetőek az LFP-ingadozások erejében, amelyek jobban hasonlítanak az fMRI és az EEG nagyobb mértékű regionális jeleire (23).

A fázisos idegaktivitási adatok arra utalnak, hogy a DS pontos szerepe a jutalom-előrejelzés során, vagy a nyereséges ingerek hatása a neurális reprezentációkra más, a serdülők és a felnőttek között. Mindkét csoport egységei aktiválódtak a kísérletek elején, röviden gátoltak a műszeres válaszban, majd ismét aktiválódtak. Ezek közül az egyéb vizsgálatokkal összhangban a felnőtt egységek korábban újra aktiválódtak, és a jutalom előtt visszatértek az alapvonalhoz.24, 25). Ezzel ellentétben a serdülők kollégái aktiválódtak egészen a jutalmak visszaszerzéséig. Így csak a serdülők voltak jelentős csoportja annak, amit a DS-ben jutalom-előrejelző neuronoknak lehetett leírni. Bár mások korábban a DS-ben előzetesen megfigyelt tevékenységet figyeltek meg (24-26), itt a kritikus pont az, hogy a serdülők és a felnőttek másfajta egyensúlyt és időbeli lefutást mutatnak az ilyen tevékenységükben. Úgy gondolják, hogy a striatum közvetlen szerepet játszik a helyzet-cselekvési szövetségekben (25), és szereplőként szolgálhat egy „színész-kritikus” modellben a kedvezőbb fellépésekkel szembeni viselkedés \ t27). A striatum dopamin bevételt kap a kortikális régiókból származó materia nigra és glutamát vetítésekből; elküldi a GABA előrejelzéseit a globus pallidus-nak, amely további projekteket tervez a talamuszra, végül visszahúzódik a kéregbe. Az éretlen prefrontális kéregből vagy a bazális ganglionokból származó afferens jelek részben figyelembe vehetik a DS-ben jelenleg megfigyelt kor-specifikus mintákat. Valójában korábban már megfigyeltük, hogy a serdülőkori orbitofrontális kéregben (OFC) csökkent a gátlás és a fokozott aktiváció.28), amely közvetlenül a DS ezen régiójába irányul (29).

Az önkéntes magatartás során a korábbi LFP θ- és β-oszcillációkra vonatkozó korábbi jelentésekkel összhangban (30, 31), mind a serdülők, mind a felnőttek ezeket az étkezést megelőzően és azt követően mutatták be. Annak ellenére, hogy a DS-ben jelentős egy egységes aktivitási különbségek mutatkoznak, az LFP-oszcillációk mind a DS, mind a NAc két korosztálya között nagyon hasonlóak. Ez a megállapítás kritikus, mivel az emberi serdülők tanulmányai a nagyobb léptékű funkcionális intézkedésekre koncentráltak, mint például az fMRI és az EEG. Megmutatjuk, hogy robusztus életkorú egységaktivitási különbségek találhatók még akkor is, ha nagyobb méretű regionális oszcillációk, amelyek jobban korrelálnak az fMRI jelekkel, hasonlóak (23). Bár az alap-ganglionok LFP-rezgéseinek funkciói ismeretlenek, a viselkedéskörnyezet modulálja őket.30, 31), amely azonos volt a két korcsoport esetében.

Az NAc-ben, néhány átmeneti különbségen kívül, a felvett aktivált és gátolt egységek aránya és válaszuk időbeli lefutása általában hasonló volt, ahogyan azt az átlagos normalizált populációs aktivitás is tükrözi. A NAc manipulációi befolyásolják a motivációt, az alapvető magatartást és a műszeres viselkedés tanulását és végrehajtását (32-35). A jelen vizsgálatban a NAc-ben a serdülőkori idegaktivitási különbségek szerények és átmenetiek voltak a DS-hez képest. Az emberekkel végzett fMRI-vizsgálatok ellentmondásosak voltak a serdülők és a felnőttek közötti jutalomhoz kapcsolódó NAc-aktivitás összehasonlításában. Néhány tanulmány erősebb NAc serdülő jeleket mutatott,36, 37) és mások gyengébbeket találtak (38) vagy összetettebb, kontextusfüggő minták (39). Ez a tanulmány, amely a szubkortikális egyetlen egység és az LFP aktivitást ébren viselkedő serdülőkben rögzíti, világít erre a kérdésre: megmutatjuk, hogy az ilyen korhatár-különbségek függhetnek a mért jel típusától. Eredményeink összhangban vannak a korábbi bizonyítékokkal arra vonatkozóan, hogy a funkcionális érettség a NAc-ben korábban elérte, mint más régiók, mint az OFC (37, 28). Azonban, amikor megállapítottuk, hogy a serdülők DS-egysége aktivitása eltér a felnőttétől, azt a következtetést vontuk le, hogy ez nem csupán egy kortikális és szubkortikális megkülönböztetés, amint azt a javasolt (40).

Fontos hangsúlyozni, hogy a neurológiai aktivitási különbségeket a jelen vizsgálatban a mért viselkedési különbségek hiánya ellenére megfigyeltük. A DS viselkedési minták végrehajtásában betöltött szerepe miatt a neurális különbségek részben a nem mérhető viselkedési különbségekből adódhatnak. Bár ezek a különbségek mindig lehetségesek, a jelen tanulmányban néhány ok miatt nagyon valószínűnek tűnik. A neurális összehasonlításokat csak akkor végezték, amikor a patkányok nagyon jól ismerik a feladatot, és megfigyelték, hogy a feladatok összpontosítottak. A legnagyobb idegrendszeri különbségek időtartama az instrumentális válasz és az étkezési mélyedésbe való belépés között eltelt idő volt, míg ennek a viselkedésnek az átlagos késleltetése lényegében azonos volt a két korcsoportban. Ezenkívül bizonyos helyeken (pl. Jutalom-előrejelzés során) a neurális különbségeket következetesen megfigyelték, de nem másokat (pl. A próba kezdetére adott válasz), és bár a neuronális aktiválás időbeli lefolyása gyakran jelentősen különbözött, a neuronális gátlás időbeli lefolyása általában minden korcsoportban mindkét agyrégióban hasonló volt. Ezek az eredmények együttesen összhangban vannak az alapvető életkori neurális feldolgozási különbségek értelmezésével, különösen a DS-ben, még hasonló viselkedés / kontextusokban is, amelyek a neurális architektúra, a feldolgozási hatékonyság és / vagy a kiemelkedő fiziológiai hatások különbségeiről beszélnek. eseményeket.

Összefoglalva megállapítottuk, hogy a jutalomhoz kapcsolódó kiemelkedő események erőteljesen beleszólnak a serdülők DS-be, de nem felnőttekbe, ami egy új lokuszt jelenthet az életkorral kapcsolatos viselkedési és pszichiátriai sebezhetőségért felelős hálózatokban. Ez a bazális ganglionszerkezet központi szerepet játszik a normál tanulásban és a memóriában, a szokások kialakulásában és a motivált viselkedés egyéb aspektusaiban, és diszfunkciója pszichiátriai problémákhoz kapcsolódik (41-43). Ezért többet megtudni arról, hogyan változik a régió fejlődése során a régió tevékenysége, valamint a más fontos agyi régiókkal való kölcsönhatása, döntő fontosságú lesz a serdülők sérülékenységének mechanizmusai és a klinikai beavatkozások jövőbeli kialakítása szempontjából. A serdülők viselkedési és pszichiátriai sebezhetőségének összetettsége valószínűleg több tényező, amely számos agyterületet érint. Így a DS csak egyike a sok interakciós régiónak, amelyek együtt (és nem elkülönítve) valószínűleg kritikusak a serdülőkorúak viselkedési és pszichiátriai sebezhetősége szempontjából. Reméljük, hogy olyan technikákkal, mint például a serdülőkorú elektrofiziológiai felvétel és a viselkedéskori megközelítés a viselkedési kontextusban az életkorral kapcsolatos idegfeldolgozási különbségek tanulmányozására, elkezdhetjük értékelni a serdülők sérülékenységének hálózati szintjét.

Anyagok és módszerek

Tantárgyak és sebészet.

Az állatkísérleteket a Pittsburghi Egyetem Állatgondozási és Használati Bizottsága hagyta jóvá. Felnőtt férfi (postnatalis nap 70 – 90, n = 12) és terhes gát (embriónap 16; n = 4) A Sprague – Dawley patkányokat (Harlan) klímavezérelt viváriában helyezték el 12-h fény / sötét ciklussal (7: 00 PM), és adhibit hozzáférést biztosít a chowhoz és a vízhez. Az alomokat legfeljebb hat hím kölyökre vágták le, akiket ezután az 21 postnatalis napon szedtek (n = 16). A felnőtt műtéteket a lakáshoz való minimális 1 wk után végezték el. A serdülőkori műtéteket az 28 – 30 posztnatális napon végeztük. Nyolcvezetékes mikroelektróda tömböket ültettünk be NAc-be vagy DS-be (SI anyagok és módszerek). A felvételek a korábban leírtak szerint készültek (28) míg a patkányok viselkedési feladatot hajtottak végre. Az egyedülálló egységeket elkülönítettük az Offline Sorter (Plexon) segítségével a kézi és félautomata válogatási technikák kombinációjával (44).

Viselkedés.

A viselkedési vizsgálati eljárásokat a korábban leírtak szerint végeztük (28, 45). A patkányok megtanultak egy hangszeres bütyköt tenni az élelmiszer-pellet jutalmakértÁbra 1A és a SI anyagok és módszerek). Minden egyes munkamenet során meghatároztuk a kísérletek teljes számát, a kísérleti kezdetektől az instrumentális válaszhoz viszonyított átlagos késleltetést és a pellet-visszanyerés instrumentális válaszától való késleltetést. Életkori szekció ismétlődő mérések Az ANOVA-kat SPSS szoftverrel végeztük az összes ilyen intézkedésen (α = 0.05), alacsonyabb kötésű df-korrekciókkal, ahol a szférikus feltételezés megsértése történt.

Elektrofiziológiai elemzés.

Az elektrofiziológiai adatokat egyedi, Matlab (MathWorks) szkriptek segítségével elemeztük a Chronux eszköztár funkcióival együtt.http://chronux.org/). Az egyegységes elemzések a peri-esemény idejű tüzelősebességű hisztogramokon alapultak a feladat események környéki ablakokban. Egy egységes aktivitás volt Z-kategória normalizálva az egyes egységek átlagos és SD tüzelési sebessége alapján az alapidőszakban (egy 2-s ablak kezdődik az 3 s előtt a cue megjelenése előtt). Az átlagos populációs egység aktivitást a feladat események körül ábrázoltuk. A serdülők és a felnőtt egységek aktivitásának statisztikai összehasonlítását az érdeklődésre számot tartó priori időablakokon (0.5-ablakok a cue után, a műszeres dugó előtt és után, valamint az étkezési edénybe való belépés előtt és után) Wilcoxon rangsorszámú tesztjeivel végeztük. mint a Z-értékek), a Bonferroni több összehasonlításra korrigált. A nullhipotézist ebben az elemzésben elutasítottuk, amikor P 0.01. Filmek S1 és a S2 a lokálisan becsült scatterplot simított (LOESS) átlagos normalizált tüzelési ráta aktivitása öt kísérletben, amelyek az 4 – 6 szekciók során egy próbafutásban mozognak a videoképeken keresztül. A videóidő az egyes munkamenetek próbáin keresztül történő tevékenység alakulását jelenti. Az egységeket bizonyos időablakokban is aktiváltnak vagy gátoltnak minősítették, ha három egymást követő 50-ms tartályt tartalmaztak Z ≥ 2 vagy Z ≤ −2. Ezeket a kritériumokat úgy értékeltük, hogy a nemparaméteres bootstrap-analízisek révén alacsony hamis besorolási arányt eredményeztek, amint azt korábban leírtuk (39) (SI anyagok és módszerek). Miután az egységeket kategorizálták, χ2 az összes, aktivált, gátolt és nem szignifikáns egységre vonatkozó, a priori ablakokon végzett elemzéseket végeztük el. Csak jelentős χ2 a teszteket post hoc követett Z- két arányban vizsgálja az alapul szolgáló jelentős kategóriák közötti különbségeket. A nullhipotézist elutasították, amikor P <0.05, jelezve Táblázat 1 vastag betűvel. Az egység toborzási idejének megjelenítéséhez (azaz aktivált vagy gátolt formában) a kategóriaanalíziseket 500-ms mozgó ablakokban végeztük (250-ms lépésekben) nagyobb ablakokban, amelyek időzítettek a feladat eseményekhez.

A kísérletek eltávolítása után, ahol a nyers LFP feszültség nyomkövetés nyírási artefaktumokat vagy kiugró értékeket tartalmazott (± 3 SD az átlagos feszültségtől), a gyors-Fourier-transzformációval minden egyes alanyra kiszámítottuk a próbák átlagolt teljesítményspektrumát (SI anyagok és módszerek). A teljesítményspektrumokat minden korcsoportra átlagoltuk. T- a kontraszt-térképek, amelyek összehasonlítják a serdülőkor és a felnőttek spektrogramjainak normalizált LFP-jét minden egyes idő × frekvenciasávban, az életkorral kapcsolatos hasonlóságok és különbségek kiemelésére kerültek ábrázolásra.

Kiegészítő anyag

Segítő információ:

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát a Nemzeti Mentális Egészségügyi Intézet, a Pittsburgh Life Sciences üvegház és az Andrew Mellon Alapítvány Predoctoral Fellowship (a DAS-hoz) nyújtották.

Lábjegyzetek

 

A szerzők nem jeleznek összeférhetetlenséget.

Ez a cikk egy PNAS közvetlen benyújtása.

Ez a cikk online információkat tartalmaz www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1114137109/-/DCSupplemental.

Referenciák

1. Spear LP. A serdülők agya és az életkorral kapcsolatos viselkedési megnyilvánulások. Neurosci Biobehav Rev. 2000;24: 417-463. [PubMed]
2. Adriani W, Chiarotti F, Laviola G. Emelkedett újdonságkeresés és sajátos d-amfetamin-szenzibilizáció a periadolescent egerekben a felnőtt egerekhez képest. Behav Neurosci. 1998;112: 1152-1166. [PubMed]
3. Stansfield KH, Kirstein CL. Az újdonság hatása a serdülők és a felnőtt patkányok viselkedésére. Dev Psychobiol. 2006;48: 10-15. [PubMed]
4. Stansfield KH, Philpot RM, Kirstein CL. Az érzést kereső állatmodell: A serdülő patkány. Ann NY Acad Sci. 2004;1021: 453-458. [PubMed]
5. Steinberg L. Társadalmi idegtudományi szemlélet a serdülők kockázatvállalásáról. Dev Rev. 2008;28: 78-106. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
6. Paus T, Keshavan M, Giedd JN. Miért alakul ki sok pszichiátriai betegség a serdülőkorban? Nat Rev Neurosci. 2008;9: 947-957. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
7. Pine DS. Agyfejlődés és a hangulati zavarok kialakulása. Semin Clin Neuropsychiatry. 2002;7: 223-233. [PubMed]
8. Spear LP. A serdülőkori magatartás idegtudománya. New York: Norton; 2010.
9. Salamone JD, Correa M. A megerősítés motivációs nézetei: A nukleáris accumbens dopamin viselkedési funkcióinak megértésének következményei. Behav Brain Res. 2002;137: 3-25. [PubMed]
10. Jog MS, Kubota Y, Connolly CI, Hillegaart V, Graybiel AM. A szokások neurális ábrázolása. Science. 1999;286: 1745-1749. [PubMed]
11. Graybiel AM. A bazális ganglionok: új trükkök tanulása és szerelme. Curr Opin Neurobiol. 2005;15: 638-644. [PubMed]
12. Packard MG, Knowlton BJ. A bazális ganglionok tanulása és memória funkciói. Annu Rev Neurosci. 2002;25: 563-593. [PubMed]
13. Yin HH, Ostlund SB, Balleine BW. Jutalomvezérelt tanulás a dopaminon kívül a magban accumbens: A cortico-basal ganglion hálózatok integratív funkciói. Eur J Neurosci. 2008;28: 1437-1448. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
14. Voorn P, Vanderschuren LJMJ, Groenewegen HJ, Robbins TW, Pennartz CMA. Egy centrifugálás a striatum dorzális-ventrális osztására. Trendek Neurosci. 2004;27: 468-474. [PubMed]
15. Costa RM. Műanyag kortikosztriatális áramkörök az akciótanuláshoz: Mi köze van a dopaminhoz? Ann NY Acad Sci. 2007;1104: 172-191. [PubMed]
16. Kelley AE, Domesick VB, Nauta WJ. Az amygdalostriatális vetítés a patkányban - anatómiai vizsgálat anterográd és retrográd nyomkövetési módszerekkel. Neuroscience. 1982;7: 615-630. [PubMed]
17. Powell EW, Leman RB. Az atommagok összekapcsolódása. Brain Res. 1976;105: 389-403. [PubMed]
18. Moore RY, Koziell DA, Kiegler B. Mesocorticalis dopamin-vetületek: A szeptális beidegzés. Trans Am Neurol Assoc. 1976;101: 20-23. [PubMed]
19. Mogenson GJ, Jones DL, Yim CY. A motivációtól a cselekvésig: Funkcionális interfész a limbikus rendszer és a motorrendszer között. Prog Neurobiol. 1980;14: 69-97. [PubMed]
20. Ernst M, Pine DS, Hardin M. Triadikus modell a serdülőkorban a motivált viselkedés neurobiológiájáról. Psychol Med. 2006;36: 299-312. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
21. Casey BJ, Getz S, Galvan A. A serdülők agya. Dev Rev. 2008;28: 62-77. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
22. Graybiel AM. A szokások, a rituálék és az értékelő agy. Annu Rev Neurosci. 2008;31: 359-387. [PubMed]
23. Logothetis NK. A vér-oxigénszinttől függő funkcionális mágneses rezonancia képalkotó jel neurális alapja. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2002;357: 1003-1037. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
24. Kimchi EY, Torregrossa MM, Taylor JR, Laubach M. A instrumentális tanulás idegsejtjei a hátsó striatumban. J Neurophysiol. 2009;102: 475-489. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
25. van der Meer MA, Johnson A, Schmitzer-Torbert NC, Redish AD. A dorsalis striatumban, a ventralis striatumban és a hippocampusban az információfeldolgozás tripla disszociációja egy tanult térbeli döntési feladaton. Neuron. 2010;67: 25-32. [PubMed]
26. Schultz W, Tremblay L, Hollerman JR. Jutalom feldolgozás prímás orbitofrontális kéregben és bazális ganglionokban. Cereb Cortex. 2000;10: 272-284. [PubMed]
27. O'Doherty J és munkatársai. A ventrális és a dorsalis striatum disszociálhatatlan szerepei az instrumentális kondicionálásban. Science. 2004;304: 452-454. [PubMed]
28. Sturman DA, Moghaddam B. Csökkent neuronális gátlás és a serdülőkori prefrontális kéreg koordinációja a motivált viselkedés során. J Neurosci. 2011;31: 1471-1478. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
29. Schilman EA, Uylings HB, Galis-de Graaf Y, Joel D, Groenewegen HJ. A patkányok orbitális kérge topográfiai úton terjed a caudate-putamen komplex központi részei felé. Neurosci Lett. 2008;432: 40-45. [PubMed]
30. Courtemanche R, Fujii N, Graybiel AM. A szinkron, fókuszban modulált béta-sáv oszcillációk jellemzik a helyi mező potenciális aktivitását a majmok striatumában. J Neurosci. 2003;23: 11741-11752. [PubMed]
31. DeCoteau WE és mtsai. A lokális terepi potenciálok ingadozása a patkány háti striatumában spontán és utasított viselkedések során. J Neurophysiol. 2007;97: 3800-3805. [PubMed]
32. Nap JJ, Jones JL, Carelli RM. A Nucleus accumbens neuronok a patkányokban előre jelzett és folyamatos jutalmi költségeket kódolnak. Eur J Neurosci. 2011;33: 308-321. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
33. Corbit LH, Muir JL, Balleine BW. Az atommagok szerepe az instrumentális kondicionálásban: Bizonyíték az akumbens mag és a héj közötti funkcionális disszociációról. J Neurosci. 2001;21: 3251-3260. [PubMed]
34. Sutherland RJ, Rodriguez AJ. A fornix / fimbria és néhány kapcsolódó szubkortikus struktúra szerepe a tanulásban és a memóriában. Behav Brain Res. 1989;32: 265-277. [PubMed]
35. Ploeger GE, Spruijt BM, Cools AR. Térbeli lokalizáció patkányokban a Morris vízi labirintusban: A felvételt a dopaminerg antagonista haloperidol intra-accumbens injekciói befolyásolják. Behav Neurosci. 1994;108: 927-934. [PubMed]
36. Ernst M et al. Az Amygdala és a nucleus accumbens a felnőttek és a serdülők esetében a befogadásra és a nyereség elhagyására adott válaszokban. Neuroimage. 2005;25: 1279-1291. [PubMed]
37. Galvan A és mtsai. Az accumbens korai fejlesztése az orbitofrontális kéreghez viszonyítva a serdülőknél kockázatvállalási magatartást eredményezhet. J Neurosci. 2006;26: 6885-6892. [PubMed]
38. Bjork JM et al. Ösztönző-kiváltott agyi aktiváció serdülőkben: hasonlóságok és különbségek a fiatal felnőttektől. J Neurosci. 2004;24: 1793-1802. [PubMed]
39. Geier CF, Terwilliger R, Teslovich T, Velanova K, Luna B. Érvénytelenség a jutalom feldolgozásában és annak hatása a serdülőkorban a gátló kontrollra. Cereb Cortex. 2010;20: 1613-1629. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
40. Somerville LH, Casey BJ. A kognitív kontroll és a motivációs rendszerek fejlődési neurobiológiája. Curr Opin Neurobiol. 2010;20: 236-241. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
41. Krishnan V, Nestler EJ. A molekulák összekapcsolása a hangulattal: Új betekintés a depresszió biológiájába. J J Pszichiátria. 2010;167: 1305-1320. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
42. Fineberg NA és mtsai. Érzékeny és impulzív viselkedések próbája, állati modellektől az endofenotípusokig: narratív áttekintés. Neuropsychop. 2010;35: 591-604. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
43. Koob GF, Volkow ND. A függőség neurokeringése. Neuropsychop. 2010;35: 217-238. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
44. Homayoun H, Moghaddam B. Orbitofrontális kéreg neuronok, mint a klasszikus és glutamáterg antipszichotikus szerek közös célpontja. Proc Natl Acad Sci USA. 2008;105: 18041-18046. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
45. Sturman DA, Mandell DR, Moghaddam B. A serdülők viselkedési különbségeket mutatnak a felnőttektől az instrumentális tanulás és a kihalás során. Behav Neurosci. 2010;124: 16-25. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]