A kompulzív szacharóz keresést szabályozó idegi áramkörök dekódolása (2015) (BINGE MECHANISM)

Annak érdekében, hogy azonosítsuk azokat az LH idegsejteket, amelyek in vivo biztosítanak monoszinaptikus bemenetet a VTA-hoz, és megfigyelhetjük aktivitásukat a szabadon mozgó viselkedések során, kettős vírusos stratégiát alkalmaztunk a channelrhodopsin-2 (ChR2) szelektív expressziójára a VTA monoszinaptikus bemenetét biztosító LH neuronokban (Az 1 számokA és S1). Adeno-asszociált virális vektort (AAV) adtunk be₅), amely a ChR2-eYFP-t egy Cre-rekombináz-függő kettős inverz nyitott leolvasási keret (DIO) konstrukcióban hordozza az LH-ba, hogy megfertőzze a helyi somatákat, és egy retrográd úton utazó herpes simplex vírust (HSV) injektált Cre-rekombinázt a VTA-ba. Az ezt követő rekombináció lehetővé tette az opsin és a fluorofor expresszióját szelektíven az LH neuronokban, amelyek monoszinaptikus bemenetet nyújtanak a VTA-hoz. Megközelítésünk megerősítésére ex vivo teljes sejtes patch-clamp felvételeket hajtottunk végre LH-t tartalmazó vízszintes agyszeletekben, amelyeket ChR2-eYFP-t expresszáló neuronokból, valamint szomszédos LH-neuronokból vettünk fel, amelyek ChR2-eYFP negatívak voltak (1. ábraB). A fény által kiváltott tüske késleltetései a fényimpulzus kezdetétől az akciós potenciál csúcsáig mérve 3–8 ms (1. ábraC). Megállapítottuk azt is, hogy a felvett nem expresszáló (ChR2-negatív) sejtek egyike sem mutatott izgató válaszokat a fotostimulációra (n = 14; 1. ábraC) a ChR2-t expresszáló sejtek közelsége ellenére.

Az optogenetikusan közvetített fotoidentifikáció in vivo elvégzése céljából az LH-ba optródot ültettek be, hogy a szacharózt kereső feladat során rögzítsék az idegsejtek aktivitását. Ugyanebben a felvételi munkamenetben számos fotostimulációs mintát szolgáltattunk a ChR2-expresszáló LH-VTA neuronok azonosítására (Az 1 számokD és S1). Megvizsgáltuk az ingerlő fényvisszaverő latenciák eloszlását az összes LH neuronon, amely a megvilágítás hatására időzített változást mutatott, és megfigyelte a bimodális eloszlást (1. ábraE). Megfigyeltük az idegsejtek populációját in vivo felvételek során, amelyek késési ideje 3–8 ms volt. Ez megegyezett a ChR2-expresszáló LH-VTA idegsejtekben tapasztalt késleltetési tartományral, amikor ex vivo felvételt készítettünk. Ezeket az egységeket „Type 1” egységeknek neveztük (Az 1 számokC, 1E és 1F). Ezenkívül külön sejtpopuláció volt ∼100 ms fotoreszponziós késleltetéssel (Az 1 számokE és 1G), és ezeket a „Type 2” egységeket neveztük el. Azt is megfigyeltük, hogy az LH-VTA neuronok fotostimulációjára adott válaszként gátolt neuronok (S2. Ábra), és ezeket a „Type 3” egységeket neveztük el. Összehasonlítottuk az 1 és az 2 típusok, valamint azok, amelyek nem mutatnak fotoreakciót (a csúcsról a vályúra mérve) és az XNUMX és az XNUMX típusok tüzelési gyakoriságát.1. ábraH). Az 1 típusú akciós potenciál időtartamok eloszlása ​​(1. ábraI) és 2 típus (1. ábraJ) egységek azt mutatják, hogy az 1. típusú egységek többségének akciópotenciálja kevesebb, mint 500 μs (84%; n = 16/19, binomiális eloszlás, p = 0.002).

Bár az 1. típusú egységek megfelelnek a standard kritériumoknak ahhoz, hogy ChR2-expresszálónak minősítsék (Cohen és mtsai., 2012, Zhang és mtsai., 2013), nem volt világos, hogy a 2. típusú egységek hosszabb késleltetésű fotoreakciója a ChR2-t expresszáló neuronokra utal-e, amelyek reagálnak lassabban a fotostimulációig, vagy hogy ez a hatás a hálózati aktivitásnak köszönhető-e. Tekintettel arra, hogy a ChR2-t expresszáló (1. típusú) LH neuronok közvetlenül a VTA-ba vetülnek, az egyik lehetőség az volt, hogy a 2. típusú idegsejtek visszajelzéseket kaptak a VTA-tól (1. ábraK). Egy másik lehetőség az volt, hogy az 2 típusú neuronokat az 1 típusú neuronok axon-kollaterálisai aktiválják (1. ábraL). A két lehetséges áramkörmodell megkülönböztetéséhez a VTA-t az LH-ban a fotoidentifikációval együtt gátoltuk.

Az áramkör modelljeink alapján a disztális gátlás várhatóan nem befolyásolja a ChR2-et expresszáló LH neuronok fotoreakcióit. Ha azonban a fotoreaktív, de nem expresszáló LH neuronok a VTA-tól kapott visszajelzésre támaszkodnak, hogy kiváltsák az időzített választ a megvilágításra (1. ábraK), ezeknél a neuronokon a VTA-gátlás hatására a fotoreakciók gyengülését várjuk. ChR2-ot expresszáltunk az LH-VTA sejtekben, mint a fentiekben, de ezúttal a VTA-ban is javított halorhodopszin 3.0-t (NpHR) expresszáltunk, és egy optikai szálat implantáltunk a VTA-ban az LH optrode mellett.2. ábraA). Mindhárom korszakban ugyanazt a kékfényű megvilágítási mintázatot adtuk meg az LH-ban, de a VTA-t sárga fényben is gátoltuk a második korszakban (2. ábraA).

Az 1 egységek fotoreakcióit az LH kék-fény megvilágítására nem befolyásolta a VTA fotoinhibíciója, amely összhangban van az 2 LH-VTA neuronok ChR1 expressziójával (2. ábraB). Ezzel szemben a 2-es típusú egységek többsége (87%; n = 13/15, binomiális eloszlás, p = 0.004) a fotorezonok szignifikáns csillapítását mutatta az LH-ban leadott kékfény-impulzusok hatására a VTA-neuronok fotoinhibíciója következtében. Az 1. és 2. típusú egységek válaszai a VTA fotoinhibíció során szignifikánsan különböztek (chi-négyzet = 7.64, p = 0.0057; Az 2 számokB és 2C). Ezeket a különbségeket az egyes korszakokban is a max Z pontszámokban láthatjuk (2. ábraD) és a sárga-ON időkeret a sárga-OFF időszakra normalizálva (2. ábraE). Ezek az adatok arra utalnak, hogy az 2 LH neuronok a VTA-ból közvetlenül vagy közvetve kapnak bevételt (1. ábraK) helyett a helyi axon-biztosítékok (1. ábraL).

Miután az LH-VTA-hurokban azonosították a két különböző LH-neuront, meg akartuk vizsgálni a természetben előforduló neurális aktivitást szacharóz-önadagolási feladat során (3. ábraA). Az egereket kiküszöbölték, hogy végezzenek nosepoke válaszokat a szukróz szállításának előrejelzésére egy szomszédos porton (Tye és mtsai., 2008). Annak érdekében, hogy megkülönböztessük az idegválaszokat a nosepoke-ra és a cue-ra, a dákót és a szacharózt részleges megerősítési ütemezés szerint juttattuk el, ahol az nosepokes 50% -a párosult egy cue és szacharóz-leadással.

Az 1 típusok fázisos válaszokat mutattak a szacharóz-port belépésére, ahogyan azt egy reprezentatív 1 típusú egység is mutatja (3. ábraB), valamint az összes 1 típusú egység populációs adatai (3. ábraC). Az 2 típusok fázisos válaszai azonban főként a jutalom-prediktív cue-re adott válaszokat tükrözik (Az 3 számokD és 3E). Az összes rögzített idegsejt normalizált tüzelési mintázata (n = 198, 1., 2., 3. típusú és nem reagáló egységekre osztva) minden feladatkomponensnél megjelenik: orrpiszkák párosítva a dákóval, orrpiszkák jelzés hiányában és szacharózport-bejegyzés (3. ábraF). Valamennyi 1. típusú egység, amely a feladat szempontjából releváns fázisos aktivitási változásokat mutatott (74%; n = 14/19), vagy fázisban izgatta, vagy gátolta a szacharózport bejutása, kis számban a jutalom-prediktív jel fázisos gátlása is megmutatkozott (Az 3 számokB, 3C és 3G). Ezzel ellentétben az 2 típusú egységek heterogénebbek voltak, a feladatra reagáló neuronok szelektíven kódolják a cue-t (35%), a szacharóz-port-bejegyzés szelektíven (26%), vagy mind a cue-, mind a port-bejegyzés (12%; Az 3 számokD, 3E és 3H). Az 1 és az 2 típusok válaszainak a feladathoz kapcsolódó eseményekhez való erősségének bemutatásához minden cellát egy háromdimenziós rajzon ábrázoltunk a Z pontszám alapján (3. ábraÉN). Annak érdekében, hogy a fázikus változások mennyiségi eloszlásának mennyiségi szinten több feladathoz kapcsolódó eseményre mutassuk be, meghatároztuk az egyes kategóriákba eső fotoreaktor típusok számát (3. ábraJ).

Tekintettel a VTA jól meghatározott szerepére a jutalom-előrejelzési hibákban (pl. A DA idegsejtjének fázisos csökkentése a jutalom váratlan kihagyására és a fázisos gerjesztésre a váratlan jutalom leadására adott válaszként) (Schultz és mtsai., 1997) azt vizsgáltuk, hogy az LH neuronok kódolják-e a szacharóz jutalom váratlan kihagyását. Ehhez feljegyeztük a fotoreszponzív idegsejtek idegi aktivitását ugyanazon jel-jutalom feladat során jól képzett állatokban, de véletlenszerűen kihagytuk a jelzést követő szacharózszállítás 30% -át4. ábraA).

Az 1. típusú egységek többsége (88%; n = 15/17, binomiális eloszlás, p = 0.001) érzéketlen volt a jutalom mellőzésére (Az 4 számokB és 4D), míg a 2-es típusú egységek nagy része (67%; n = 12/18) szignifikánsan eltérő választ mutatott a jutalomban bemutatott és a jutalom mellőzött kísérletekre (Az 4 számokC és 4D). Arra a következtetésre jutottunk, hogy az LH-VTA (1 típus) neuronok kódolták a portba való belépést, mivel ezek a port-belépési válaszok a jutalom elhagyásakor is tartósak voltak (4. ábraD), ellentétben a 2. típusú egységekkel (chi-négyzet = 10.9804, p = 0.0009).

Annak megállapításához, hogy a 1 típusú válaszok a portbejegyzésre valóban kódolták-e a kondicionált választ (CR), az általános jutalmakat kereső vagy feltáró viselkedéssel ellentétben felvettünk olyan képzetlen egerekbe, amelyek még nem szerezték meg a feladatot. A feladat-naiv egerekben szacharózt szállítottunk a portra prediktív cue hiányában (előre nem látható jutalomszállítás), és megállapítottuk, hogy az 1 típusok nem mutattak phasic válaszokat a portbejegyzésre (Az 4 számokE, 4F és 4I), összhangban van azzal a modellel, hogy az 1 típusú neuronok kódolják a CR-t (4. ábraJ).

Ezután, hogy meghatározzuk, hogy az 2 típusú egység aktivitása megfelel-e a jutalom-előrejelzési hibaszerű válaszprofilnak, ezeket a neuronokat jól képzett állatokban is feljegyeztük az előre nem látható jutalomszállítás során (4. ábraG). Megállapítottuk, hogy a 2-es típusú egységek egy része reagált az előre nem látható szacharózszállításokra (50%; Az 4 számokG-4I). Összességében az 2 típusú egységek részhalmazai érzékenyek a váratlan jutalom elhagyására (Az 4 számokC és 4D) és a kiszámíthatatlan jutalomszállítás (Az 4 számokG – 4I), összhangban van a jutalom-előrejelzési hibaszerű válaszprofillal.

Amint azt a fentiekben bemutattuk, az 1 típusú egységek CR CR neurális korrelációját képviselik. Fontos, hogy az égetési sebesség növekedése a CR előtt kezdődik, és addig emelkedik, amíg a CR befejeződött (Az 3 számokB, 3C és 4B). Annak megállapítása érdekében, hogy az LH-VTA útvonal aktiválása elősegítheti-e a CR-t, azt akartuk tesztelni, hogy az LH-VTA aktiválás milyen mértékben befolyásolja a CR-t a negatív következményekkel szemben. Vad típusú egerekben önmagában ChR2-eYFP-t vagy eYFP-t expresszáltunk LH sejtekben, és egy optikai szálat implantáltunk a VTA-n (Az 5 számokA és S4). Ezzel szemben, hogy teszteljük az LH-VTA útvonal szerepét a CR vagy a táplálkozással kapcsolatos viselkedések közvetítésében, kétoldalúan expresszáltuk önmagában az NpHR-eYFP-t vagy az eYFP-t az LH sejtekben, és egy optikai szálat ültettünk be a VTA fölé (Az 5 számokA és S4).

Megterveztünk egy Pavlovian kondicionálási feladatot, amelyben az élelmiszer-elszenvedett egereknek át kellett jutniuk a sokkhálót a szacharóz jutalom lekéréséhez (5. ábraB). Az első „alapvonal” korszakban (kikapcsolt rács esetén) igazoltuk, hogy mindegyik egér megszerezte a pavlovi feltételes megközelítési feladatot. A második („Sokk”) korszakban a sokkháló másodpercenként enyhe lábütést okozott. Végül a harmadik korszakban („Shock + Light”) folytattuk a lábrázkódásokat, de a VR-ben lévő LH terminálokat kék fénnyel (10 Hz) is megvilágítottuk a ChR2-t expresszáló egerekben, illesztett eYFP kontrollokat és sárga fényt (konstans). az NpHR-t és eYFP-kontrollt expresszáló egerek (5. ábraB).

Jelentősen nagyobb számú port-bejegyzést figyeltünk meg egy cue-nál a Shock + Light korszakban, és egy lényegesen nagyobb különbséget (Shock + Light epoch - Shock-only epoch) a ChR2 egerekben az eYFP egerekhez viszonyítva (5. ábraC és Film S1). Ezzel ellentétben az LH-VTA útvonal fotoinhibíciója jelentősen csökkentette a port bejegyzéseket cue és különbségi pontszámok között az NpHR egerekben az eYFP egerekhez viszonyítva (5. ábraD és Film S2). Az ülésen belüli kihalási kísérletek során, amikor a cue-prezentációkat nem követték szacharóz-szállítás, hasonló tendenciák mutatkoztak (S4. Ábra).

Fontos, hogy meghatároztuk, hogy a szacharózkeresés során elért változásokat az etetéshez kapcsolódó viselkedés vagy a fájdalomérzékenység változása okozza. Megfigyeltük, hogy az LH-VTA vetület fotoaktiválása jelentősen megnövelte a ChR2-csoportba táplált egerek táplálkozásának idejét (5. ábraE). Az LH-VTA útvonal fotoinhibíciója azonban nem csökkentette szignifikánsan a táplálkozást (5. ábraF), még akkor is, ha ezek az állatok táplálékfogyasztástól mentesek, hogy növeljék azon képességünket, hogy a kezdeti korszakhoz képest csökkenést észleljenek (összehasonlítva a 5. ábraE). Sem a ChR2 (5. ábraG) vagy NpHR csoport (5. ábraH) figyeltünk-e meg különbséget a látencia és a farok meleg vízből való kivonásában (Ben-Bassat et al., 1959, Grotto és Sulman, 1967), jelezve, hogy az LH-VTA vetület manipulálása nem változtatja meg a fájdalomcsillapítást.

A VTA-ba történő LH bemenetek gyors átviteli összetevőinek összetételének tanulmányozásához, amelyek ezeket a hatásokat kiváltották, teljes sejt-patch-clamp felvételeket végeztünk VTA neuronokból egy akut szeletkészítményben, miközben optikailag aktiváltuk a ChR2-eYFP-t expresszáló LH bemeneteket (Az 6 számokA és S5). Tekintettel arra, hogy a VTA-n belül megalapozott heterogenitás van, beleértve ~ 65% DA idegsejteket, ~ 30% GABA neuronokat és ~ 5% glutamát neuronokat (Margolis et al., 2006, Nair-Roberts et al., 2008, Yamaguchi et al., 2007), a sejteket biocitinnel töltöttük fel felvétel közben, hogy lehetővé tegyük a sejttípus azonosítását post-hoc immunohisztokémiai módszerrel a tirozin-hidroxiláz (TH; 6. ábraB), a hiperpolarizáció aktivált kationáram rögzítése mellett (I_h) és a cella helyének feltérképezése (Az 6 számokZenekar S5).

Először a ChR2-et expresszáló LH bemenetek fotostimulációja során rögzítettük az áram-bilincset, és megfigyeltük, hogy az 23 neuronok 27-je időzített válaszot mutat az LH bemenetek fotostimulációjára (6. ábraC). A VTA-ban vett DA neuronok többsége nettó excitációs bemenetet kapott az LH-tól (56%), míg egy másik alcsoport nettó gátlást mutatott (30%; 6. ábraC). Ezeknek a DA-neuronoknak a térbeli eloszlása ​​a VTA-t tartalmazó vízszintes szeletekre vonatkozó atlaszra van leképezve.6. ábraD).

Az LH bemenetek VTA DA idegsejtekhez való monoszinaptikus hozzájárulásának megállapításához ChR2-segített áramköri térképezést használtunk, ahol feszültség-rögzítő felvételeket végeztek tetrodotoxin (TTX) és 4-amino-piridin (4AP; Petreanu et al., 2007) jelenlétében. . Összhangban az áram-befogó felvételekkel végzett megfigyeléseinkkel, megfigyeltük, hogy a rögzített VTA DA idegsejtek többsége kizárólag gerjesztő monoszinaptikus bemenetet kapott az LH-tól (67%), szemben a VTA DA idegsejtjeivel, amelyek kizárólag gátló monoszinaptikus bemenetet kaptak (11%), vagy mindkettő (22%; Az 6 számokE és S6).

Cre-függő fluorofor (AAV.) Injektálásával azonosítottuk a VTA GABA neuronokat₅-DIO-mCherry) a VGAT :: Cre egerek VTA-jába, és mCherry expresszióval irányította a VTA GABA neuronok (n = 24; 6. ábraF). A VTA GABA neuronok negyvenöt százaléka reagált nettó gerjesztéssel, míg az 54% gátlással reagált a ChR2-et expresszáló LH bemenetek fotostimulációjára (6. ábraG). Ezeknek a sejteknek a térbeli eloszlása ​​látható 6. ábraH. Az LH monoszinaptikus bemenetének vizsgálatakor (mint fentebb leírtuk) megállapítottuk, hogy a mintavételezett GABA neuronok 18% -a kizárólag excitációs bemenetet kapott, és az 9% kizárólag gátló bemenetet kapott (6. ábraÉN). A VTA DA idegsejtekhez viszonyítva azonban azt találtuk, hogy több VTA GABA neuron kapott mind excitációs AMPAR-közvetített, mind gátló GABA-t_AR által közvetített monoszinaptikus bemenet az LH-ból (73%; chi-négyzet = 5.0505, p = 0.0246; Az 6 számokén és S6).

Tekintettel arra, hogy ex vivo felvételeink bizonyítékokat szolgáltattak, amelyek mind a GABAerg, mind a glutamaterg LH-vetületek robusztus bevitelét támasztják alá a VTA-hoz, ezután az egyes komponensek szerepét függetlenül vizsgáltuk. Ehhez olyan transzgénikus egérvonalakat használtunk, amelyek Cre-rekombinázt expresszáltak olyan neuronokban, amelyek vagy vezikuláris glutamát 2 (VGLUT2), vagy vezikuláris GABA transzportert (VGAT) expresszáltak. Fecskendeztük az AAV-t₅-DIO-ChR2-eYFP vagy AAV₅-DIO-eYFP a VGLUT2 :: Cre és VGAT :: Cre egerek LH-jába és egy optikai szál beültetését a VTA fölé (S7. Ábra). Ezeket az állatokat azután az egyes viselkedési vizsgálatokon hajtottuk végre 5. ábra.

Nem figyeltünk meg észrevehető különbségeket a CR2-et vagy az eYFP-t expresszáló egerek közötti cue-ra vonatkozó port-bejegyzések számában az LH-ban^{jóllakottság}-VTA vetítés (7. ábraA) vagy az LH-ban^GABA-VTA vetítés (7. ábraB). A videóanalízis során azonban az LH-ban észrevehető rángatózó viselkedést észleltünk^GABA-VTA: ChR2 csoport a kék fény megvilágításakor (lásd Filmek S3 és a S4). LH-ban^{jóllakottság}-VTA egerek, bár a ChR2-csoportban az eYFP-csoporthoz viszonyítva a táplálkozás csökkenése volt megfigyelhető a fotostimulációnál, ez nem volt statisztikailag szignifikáns (7. ábraC). Ezzel ellentétben megfigyeltük, hogy az LH-ban megvilágítás után az egerekben táplálkozási idő erőteljesen nőtt^GABA-VTA: ChR2 csoport a kontrollokhoz viszonyítva (7. ábraD és Film S3). Az állatok egyik csoportjában sem a fénystimuláció hatása volt a farok-visszavonási vizsgálatban (Az 7 számokE és 7F).

A táplálkozási feladat során, amint azt a szacharóz-kereső feladat során tettük, ismét észrevettük, hogy a táplálkozással összefüggő motoros szekvenciák rendellenesek voltak, amelyek nem az élelmiszerre irányultak. Egy reprezentatív egeret forgattunk az LH-ban^GABA-VTA: ChR2 csoport egy üres, átlátszó kamrában, és 20 Hz-es fotostimuláció után szokatlan étvágygerjesztő motoros szekvenciákat figyeltünk meg, mint például a padló vagy az üres hely nyalása és rágása (Film S4). A vad típusú LH-VTA-ban a takarmányozás során számszerűsítettük ezeket a „rágó” viselkedéseket (7. ábraG), LH^{jóllakottság}-VTA (7. ábraH) és LH^GABA-VTA (7. ábraI) csoportok és megmutatta, hogy LH^GABA-VTA: A ChR2 egerek több mint a vad típusú vagy az LH-k^{jóllakottság}-VTA: ChR2 egerek, ha fotostimuláltak, összehasonlítva a megfelelő eYFP csoportokkal (7. ábraJ). Megvizsgáltuk, hogy a nem megfelelő táplálkozással kapcsolatos viselkedés elválasztható-e a megfelelően irányított táplálástól alacsonyabb frekvenciákon. Azonban, amikor teszteltük az LH-t^GABA-VTA: ChR2 csoport 5 Hz-es és 10 Hz-es kékfényű vonatokkal, arányos kapcsolatot figyeltünk meg a stimulációs frekvencia, valamint az etetés és a rágás között (7. ábraK).

Az LH vetületet a VTA-ra villamos stimulációs ütközési vizsgálatokkal vizsgálták (Bielajew és Shizgal, 1986), és már régóta feltételezik, hogy szerepet játszanak a jutalmak feldolgozásában (Hoebel és Teitelbaum, 1962, Margules és Olds, 1962), mégpedig ezzel szerepe kihívás volt. Itt részletes leírást adunk arról, hogy az LH-VTA hurok egyes összetevői hogyan jutnak hozzá a jutalomhoz kapcsolódó feladat különböző aspektusaihoz.

Optogenetikus közvetített fototagolással (1. ábra) az LH neuronok két különálló populációját azonosítottuk: olyan sejteket, amelyek kivetítéseket küldnek a VTA (1 típus) és a VTA-tól visszacsatolt sejtek (2 típus); 2. ábra) - noha ezeknek a populációknak nem kell egymást kölcsönösen kizárniuk, mivel lehetséges, hogy az LH neuronok mind a VTA-ba, mind a VTA-ba beléphetnek és fogadhatnak. Érdekes módon azt tapasztaltuk, hogy viszonylag kevés fotoreaktív neuron kívül esett a két bimodális eloszlás között, amely ezeket a két populációt tartalmazza:S2Zenekar 1E). Ennek fényében, a 2-es típusú fotoválasz hosszú késleltetési késleltetésével (~ 100 ms) kombinálva feltételezhetjük, hogy egy domináns útvonal járulhat hozzá a 2-es típusú idegsejtek aktivitásához. Továbbá, mivel a DA megköti a G fehérjéhez kapcsolt receptorokat, a kinetika lassabb, mint a legtöbb glutamaterg szinapszisban (Girault és Greengard, 2004), és ez magyarázhatja a 100 ms késleltetésű fotoreszponzív egységek klaszterét. Az is lehetséges, hogy a VTA közvetett visszacsatolást nyújthat más disztális régiókon keresztül, gerjesztő köztes régiókon keresztül, például amygdalán keresztül, vagy diszinhibícióval a nucleus accumbens (NAc) vagy a stria terminalis ágymagja (BNST) révén.

Érdekes, hogy míg az 1. típusú egységek fotostimulációja gerjesztő válaszokat vált ki a 2. típusú egységekben, az 1. és 2. típusú egységek eltérő viselkedési kódolási tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a jutalom-prediktív jelet szelektíven kódoló 1. és 2. típusú egységek száma jelentősen eltér (n = 0/19 1. típus versus n = 12/34 2. típus, khi-négyzet = 8.67, p = 0.003) . Ez a paradox válaszmintázat egy olyan köztes áramköri elem, például a VTA számítási folyamatainak tudható be, amelyek a viselkedési feladat során aktív szerepet játszhatnak, a fotocímkézés során azonban inaktívak. Ezenkívül az állat viselkedési állapota befolyásolhatja ezen adatok feldolgozását.

A jutalom elhagyási kísérleteink lehetővé tették számunkra, hogy megkülönböztessük a CR LH neurális kódolását és a feltétel nélküli inger (US) fogyasztását. Ezekben a kísérletekben az 2 típusú egységek egy részhalmaza reagált a jutalom-előrejelző cue-ra (CS) és az USA-ra, és azt is megmutatta, hogy a várt jutalmak elhagyása esetén az égési sebesség csökken. Továbbá, az 2 típusú egységek egy részhalmaza is váratlan jutalom-leadáskor fázisos gerjesztést mutat (Az 4 számokG és 4H). Ezek az adatok arra emlékeztetnek, ahogy a VTA DA neuronjai kódolják a jutalom-előrejelzési hibát (Cohen és mtsai, 2012, Schultz és mtsai, 1997). Feltételezzük, hogy a VTA neuronok jutalom-előrejelzési hibajeleket továbbíthatnak az LH idegsejtek egy részhalmazához, amelyek jól vannak elhelyezve ezen jelek integrálásához a megfelelő viselkedési kimenet meghatározása céljából. Pontosabban, az LH erőteljesen összekapcsolódik más agyterületek sokaságával (Berthoud és Münzberg, 2011), és okozati összefüggésben van olyan homeosztatikus állapotokkal, mint az alvás / izgalom és az éhség / jóllakottság (Carter et al., 2009, Jennings et al. , 2013).

A kényszeres jutalomkereső magatartást elsősorban a kábítószer-függőség kapcsán vitatták meg, ahol a kényszeres drogkeresés klasszikus paradigmája az volt, hogy megvizsgálják, hogy a kábítószer-kereső magatartás milyen mértékben áll fenn egy negatív következmény, például a lábsokk hatására. (Belin és mtsai, 2008, Pelloux és mtsai, 2007, Vanderschuren és Everitt, 2004). Ezt a feladatot a szacharózhoz igazítottuk, hogy megvizsgálhassuk, elegendő-e az LH-VTA út aktiválása a kényszeres szacharózkeresés elősegítésére. Tekintettel arra, hogy a kábítószer és a természetes jutalom között egyértelmű különbség az, hogy a túléléshez nincs szükség gyógyszerjutalomra, vita merül fel arról, hogy milyen viselkedés minősül kényszeres szacharóz- vagy ételkereső magatartásnak. Adataink alternatív értelmezése az, hogy az LH-VTA útvonal aktiválása egyszerűen növeli a motivációs hajlandóságot vagy az étvágygerjesztők keresésére való törekvést. Mivel az elhízás aránya az elmúlt évtizedekben nőtt (Mietus-Snyder és Lustig, 2008), a kényszeres túlevés és a cukor-függőség olyan elterjedt állapot, amely komoly veszélyt jelent az emberi egészségre (Avena, 2007). A táplált viselkedés telített (teljesen táplált) egerekben az LH-VTA útvonal aktiválása után emlékeztet a kényszeres túlfogyasztási rendellenességgel (vagy falási evészavarral) diagnosztizált embereknél tapasztalt étkezési magatartásra (DSM-V).

Javasolták, hogy az ismételt cselekvések a szokások kialakulásához vezetjenek, amelyek maguk is vezetnek a függőséget jellemző kényszerítő jutalomkereséshez (Everitt és Robbins, 2005). Az a megállapításunk, hogy az LH-VTA neuronok csak a kondicionálás utáni portbejegyzést kódolják, azt sugallják, hogy ez az út szelektíven kódol egy kondicionált választ, nem csak egy motivált akciót. Ez összhangban áll a megfigyelésünkkel, hogy e vetítés optikailag aktiválása elősegítheti a kényszeres jutalmat a negatív következményekkel szemben (5. ábraC), valamint a szükséglet hiányában (mint ahogyan az \ t 5. ábraE). Ezt az értelmezést tovább alátámasztja az a megállapítás, hogy az LH-VTA útvonal fotoinhibíciója szelektíven csökkenti a kényszer szacharózkeresést (5. ábraD), de nem csökkenti a táplálékkal korlátozott egerek etetését (5. ábraF). A kompulzív overeating vagy étkezési zavarok kezelésében az egyik legnagyobb kihívás az általában a táplálkozási viselkedés károsodásának kockázata. Transzlációs szempontból esetleg azonosítottunk egy specifikus neurális áramkört, mint potenciális célpontot a kompulzív overeating vagy cukorbetegség terápiás beavatkozásainak kifejlesztésére a természetes táplálkozási magatartások feláldozása nélkül.

Megmutatjuk, hogy a vetületben egy glutamaterg LH-VTA komponens mellett (Kempadoo et al., 2013) van egy jelentős GABAerg komponens is (Leinninger et al., 2009), és hogy az LH neuronok közvetlenül szinkronizálódnak mind a DA, mind a GABA neuronok a VTA-ban (6. ábra). Azonban a VTA DA és a GABA neuronok gerjesztő / gátló bemenete egyensúlyban van.

Miközben immunhisztokémiai feldolgozást alkalmaztunk a VTA neuronok azonosságának igazolására, szintén mértük az I értéket_h, hiperpolarizációval aktivált befelé korrigáló nem specifikus kationáram (Lacey és mtsai, 1989, Ungless és Grace, 2012). Ennek az áramnak a jelenlétét széles körben alkalmazták elektrofiziológiai vizsgálatokban a DA idegsejtek azonosítására, de kimutatták, hogy csak a DA idegsejtek szubpopulációiban van jelen, amelyeket vetítési cél határol be (Lammel et al., 2011). Bár korábban Fields és munkatársai egy áttekintésben azt javasolták, hogy „az LH neuronok szinapszisba kerülnek a VTA vetületeivel a PFC felé, de az NAc-re vetülők nem (Fields és mtsai., 2007), adataink azt javasolják, hogy ezt a vitát nyissák meg újra. további vizsgálat céljából. Annak ellenére, hogy megfigyeltük a DA neuronok egy részét, amelyek nettó gerjesztést kaptak az LH-tól, és nagyon kicsi volt az I_h (az mPFC- vagy NAc-mediális shell-projektáló DA neuronokkal összhangban) a DA neuronok egy részhalmazát is megfigyeltük, amelyek nettó excitációs bemenetet kaptak és nagy I_h (összhangban van az NAc oldalirányú héjjába kivető DA neuronok jellemzőivel; S5. Ábra; Lammel és mtsai., 2011). Ezzel szemben a nettó gátló inputot kapott VTA DA idegsejtek nagyon kicsi I-t mutattak_h vagy hiányzott ez az áram, ami összhangban áll azzal a felfogással, hogy az LH túlnyomórészt gátló inputot küld az mPFC-hez vagy az NAc mediális héjához vetülő VTA DA idegsejtekhez. Megmutatjuk azt is, hogy az LH bemenetek mind a mediális, mind az laterális VTA-ban megfigyelhetők, ami arra utal, hogy az LH bemeneteket biztosít a különböző vetületi célokkal rendelkező VTA idegsejtekbe, mivel ismert, hogy a VTA vetítési cél némileg megfelel a mediális-laterális tengely mentén elhelyezkedő térbeli elhelyezkedésnek ( Lammel és mtsai., 2008).

Az LH-VTA útvonalnak a jutalom előmozdításában betöltött szerepét korábban a glutamaterg transzmissziónak tulajdonították a VTA-ban (Kempadoo és mtsai., 2013), mivel a CaMKIIα promótert gyakran úgy gondolják, hogy szelektív az excitációs projekciós neuronokra. Adataink azonban egyértelműen azt mutatják, hogy a ChR2 expresszálása a CaMKIIα promoter irányítása alatt az LH GABAerg projekciós neuronjait is megcélozza (6. ábra).

Az LH fotostimulációja által kiváltott viselkedés^GABA-VTA útja elkeseredett, rossz irányítású és rosszul alkalmazkodó (Film S4). Az egyik értelmezés az, hogy az LH aktiválása^GABA-VTA útvonal küld egy jelet az egérnek, ami az étvágyat erősítő felismerését eredményezi. Egy másik értelmezés az, hogy az LH^GABA-VTA-útvonal ösztönözheti az ösztönző érzékenységet vagy egy intenzív „akaratot”, ami összhangban van a kondicionált megközelítés jelzésével, de nem fiziológiás szinten, amely ezt a rendellenes táplálkozással kapcsolatos viselkedést eredményezi (Berridge és Robinson, 2003). Ezzel összhangban lehetséges, hogy az LH aktiválása^GABA-VTA vetítés ténylegesen intenzív vágyérzéseket eredményez, vagy sürgeti a táplálást. Kísérleteink azonban azt mutatják, hogy az LH aktiválása^GABA-VTA nem növeli a kompulzív szacharózkeresést, de ez valószínűleg a túlterhelés és a vizsgálati kamrában a nem élelmiszer-tárgyakra összpontosító túlzott étvágytalan viselkedésnek köszönhető. Noha nehéz kezelni az egér élményét a manipuláció során, nyilvánvaló, hogy a megfelelően irányított táplálkozással kapcsolatos viselkedéshez az LH-VTA útvonal GABAerg és glutamatergikus komponenseinek összehangolt aktiválása szükséges.

Az optogenetikai és farmakogenetikai manipulációk hatékony eszközök az okozati összefüggések megállapítására, de nem mutatják ki az idegrendszeri elemek endogén, fiziológiai tulajdonságait. Tanulmányunk egységesíti a szinaptikus kapcsolatra, a természetesen előforduló endogén funkcióra és az LH-VTA útvonal ok-okozati szerepére vonatkozó információkat, amely új szintű betekintést nyújt az információ integrálásának módjába. Ezek az eredmények rávilágítanak a neuronok funkcionális szerepének vizsgálatára a genetikai markerek mellett a kapcsolhatóság révén. Az LH-VTA neuronok szelektíven kódolták a jutalomkeresés hatását, de nem kódolták a környezeti ingereket, míg a jutalmazó ingerek és jutalom-prediktív jelek a VTA-tól lefelé levő LH neuronok különálló populációját kódolták. Ezenkívül egy olyan egyedi vetületet is azonosítottunk, amely okosan kapcsolódik a kényszer szacharóz keresési és etetési viselkedéshez. Az LH-VTA vetítés heterogenitása szükséges a vezetési motiváció és a megfelelően irányított étvágy-viselkedés szabályozása közötti adaptív egyensúly biztosításához. Ezek a megállapítások olyan patológiás állapotokra vonatkozó betekintést nyújtanak, mint a kényszeres overeating zavar, a cukor-függőség és az elhízás