ソース
米国ペンシルバニア州ピヌスバーグ、ピッツバーグ大学、神経科学部。
抽象
思春期の若者は、ピアインタラクションや楽しい刺激など、同じ顕著な動機付けコンテキストに対して大人とは異なる反応をすることがよくあります。 思春期の神経処理の違いを描写することは、この現象と、薬物乱用、気分障害、統合失調症などの深刻な行動および精神医学の脆弱性の基礎を理解するために重要です。 主要な脳領域で顕著な刺激が処理される方法の年齢に関連した変化は、思春期特有の偏見と脆弱性の根底にあると考えています。 動機付けられた行動が中心的な問題であるため、動機づけのコンテキスト中に脳活動の年齢に関連した比較が行われることが重要です。 私たちは、報酬に動機付けされた器械課題中の青年および成体ラットの側坐核（NAc）および背側線条体（DS）の単一ユニット活動と局所野外電位を比較しました。 これらの地域は、やる気のある学習、報酬処理、および行動選択に関与しています。 DSの思春期の神経処理の違いを報告します。この領域は、一般に、大人の報酬処理よりも学習に関連しています。 具体的には、成人ではなく思春期のDSのニューロンの大部分が報酬を見越して活性化しました。 2つの年齢層のNAcで、より類似した応答パターンが観察されました。 DSの単一ユニットの活動の違いは、同様のローカルフィールドポテンシャル振動にもかかわらず発見されました。 この研究は、青年期において、学習と習慣の形成に決定的に関与する領域が報酬に非常に敏感であることを示しています。 したがって、報酬が思春期の行動を異なる形に形成するメカニズム、および感情障害に対する脆弱性の増加のメカニズムを示唆しています。
思春期には、報酬刺激などの顕著な出来事の処理方法に影響を与える可能性のある、無数の神経発達上の変化が起こります（1 ）。このような神経処理の変化は、リスクテイクの増加（ 1～5）や、依存症、うつ病、統合失調症などの障害を発症する傾向の増加（6～8）など、哺乳類の種全体にわたって思春期に見られる一般的な行動傾向の根底にある可能性があります。これらの脆弱性の神経基盤を理解する前に、まず思春期の脳の典型的な神経処理パターンを、成人のそれと比較して詳しく知る必要があります。
基本的に、思春期の行動面および精神面の脆弱性は、動機づけの文脈において顕著に現れます。したがって、動機づけられた行動中の思春期の神経活動を成人の神経活動と比較することが重要です。動機づけられた行動とは、生物と刺激（特定の報酬の確率または近接性など）との間の物理的関係の調整を促進する行動です（9）。しかし、このような行動の文脈では、神経活動の分析が当然複雑になります。神経の違いが単に2つの年齢グループ間の行動パフォーマンスの違いを反映しているだけではないことを、どうやって知ることができるのでしょうか？神経処理の違いは、単に行動上の交絡によるものなのでしょうか、それとも、動機づけの文脈において思春期の人々が重要な出来事を符号化および処理する方法に、より根本的な違いがあるのでしょうか？私たちは、行動パフォーマンスが2つのグループ間で区別できないとき（例えば、課題がよく学習された後のセッションでの報酬取得潜時）に、顕著な出来事中の思春期の神経活動を成人の神経活動と比較するために、生体内の単一ニューロン電気生理学的記録を行いました。この方法を用いることで、私たちは「行動クランプ」を効果的に活用し、パフォーマンスによって混乱されることのない、年齢に関連した根本的な処理能力の違いを特定することができました。
思春期の脳の大部分はまだこの方法で調べられていないが、動機づけられた行動の中心的役割を担う背側線条体（DS）と側坐核（NAc）に焦点を当てた。これらの脳領域は、連合学習、習慣形成、報酬処理、および行動パターンの適応的制御に関与している（10～13）。線条体は、感覚、運動、および認知プロセスに関与する皮質領域からの投射（14）とドーパミン作動性入力（15）を受け取る。腹側線条体の一部であるNAcは、扁桃体（16）および前頭前皮質（17 ）からの求心性入力と、腹側被蓋野（ 18 ）からのドーパミン作動性求心性入力を受け取る。 NAcは動機を行動に変換する鍵と考えられており（19 ） 、青年期の危険行動や感覚探求の神経生物学的基盤に関する現在のいくつかの仮説の中心となっている（5、20、21）。
結果
思春期（n = 16）および成体（n = 12）ラットが道具的行動（つつく）と報酬結果（餌のペレット）を関連付けることを学習する際、DSおよびNAc（図S1 ）から神経単位の活動が記録された（図1A ）。領域間で統計的な差が観察されなかったため、行動データはまとめて示されている（図1B ～D）。トレーニング全体を通して、セッションあたりの試行回数[ F（1、1）= 1.74、P = 0.20]、合図から道具的つつくまでの潜時[ F（1、1）= 0.875、P = 0.36]、または道具的つつくから餌入れに入るまでの潜時[ F（1、1）= 0.82、P = 0.36]において、年齢に関連した有意な差はなかった。合図の開始から道具による突進までの潜伏時間は、初期のセッションでは異なっているように見えたが、これは統計的に有意ではなく、まだ関連付けを学習していない3匹の外れ値動物によって引き起こされていた（図1C 、挿入図）。セッション4以降、すべての測定値は両方の年齢グループで安定した最大値に達した。これらのセッション中、道具反応から餌入れへの進入までの平均潜伏時間は、成体と青年でそれぞれ（平均±標準誤差）2.47±0.12秒と2.54±0.17秒であった。
ラットが行動と結果の関連性を学習し、各セッション（すなわち、セッション4〜6; 図S2A）。 セッション4–6でこのアクティビティを詳しく調べると、一部のニューロングループのアクティビティに類似性が見られますが、他のニューロングループにはかなりの違いがあります（図2）。 記録されたニューロンの約10％が試行開始キューで活性化され、ほとんどの細胞が阻害されなくなりました（図2 A (NAIST) と C, 左派）。 青年および成人の発火率の分布 Z-scoresはこの時点で違いはありませんでした（Z = 1.066、 P = 0.29; 図2B, 左派）。 また、キューに対する活性化ニューロン、抑制ニューロン、および有意でないニューロンの割合に年齢に関連した差はなかった[χ2（2、 n = 570）= 2.35、 P = 0.31; テーブル1]。 活性化された細胞の割合と活動の大きさは、器械的反応の前に両方のグループで増加しましたが、そのような大きさの増加は青年期でより大きかったですZ = - 2.41、 P = 0.02; 図2B, センター）。 楽器の突く前の0.5における応答タイプの割合の年齢に関連した違いは有意でした[χ2（2、 n = 570）= 10.01、 P <0.01]、成人が抑制したユニットの大部分によって引き起こされる効果（Z = 3.05、 P <0.01; テーブル1）。 機器の反応直後に、以前に活性化されていた細胞が抑制され、以前に関与していなかった多くのユニットが抑制された（図2A, センター）。 これにより、人口活動の一時的な下向きの偏向が生じ、これは年齢固有の割合で再び増加し、機器反応後の0.5の間、青年と成人の活動の統計的差異が続いた（Z = 2.19、 P = 0.03; 図2B, センター）。 この期間中、応答タイプの割合は2つの[χ2（2、 n = 570）= 10.57、 P <0.01]、成人が活性化するユニットの割合が高いため（Z = 2.87、 P <0.01; 図2C, センター (NAIST) と テーブル1）。 インストゥルメンタルポークが一時的に抑制される前に活動を増加させた同じニューロンの多くは、食物のトラフに入る前に再び活性化されます（ヒートプロット行は赤青赤のパターンを示します 図2A, センター）。 このパターンのタイミングは、青年と成人の間で異なっていました。 思春期のニューロンのかなりの割合が報酬まで活性化されたままでした。 このような「報酬予測ニューロン」は、成人ではまばらでした（図2A, 右派）。 時間経過の違いに加えて、フードトラフに入る前に0.5で活性化した思春期のニューロンも、より高い振幅でピークに達しました（Z = - 7.63、 P <0.01; 図2B, 右派）。 このアクティビティの全体的なパターンは、セッション4〜6（映画S1）、ユニットのランダムサンプリングは、一部のユニットのユニット内変動を示しています（図S3）。 活性化されたユニットと抑制されたユニットの割合は異なっていた[χ2（2、 n = 570）= 41.18、 P <0.01]、青年と成人のそれぞれで、活性化の割合が有意に高い（Z = - 6.21、 P <0.01）および抑制された単位（Z = 4.59、 P <0.01; 図2C, 右派 (NAIST) と テーブル1）。 食物の谷に到達した後の0.5では、青少年は引き続きより強い活動を示しました（Z = –6.43、 P <0.01）。 活性化、抑制、および有意でない比率は、フードトラフに入る直前とは異なるままでした[χ2（2、 n = 570] = 31.18、 P <0.01; 図2C, 右派 (NAIST) と テーブル1）。 繰り返しになりますが、思春期の若者の方が活性化ユニットの割合が高くなりました（Z = –4.89、 P <0.01）およびこの時点で禁止されているユニットの割合が少ない（Z = 4.36、 P <0.01）。
NAcでは、平均的な思春期および成人のスパイク活動は、タスク関連の反応がほとんどないかまたは変動していたが、より一貫したパターン（図S2B）。 セッション4では、両方のグループで同様の増加が見られ、その後、楽器の突進での相性活動が減少しました。 このパターンは、報酬に至るまで、および報酬に続いて、より顕著でした（フードトラフエントリ）。 NAcの相性神経活動を詳しく調べると、いくつかの顕著な違いとともに、ニューロンの活性化と抑制のパターンと程度のいくつかの密接な類似性が明らかになっています（図3）。 具体的には、キューライトの開始により、思春期と成人の両方でNAcニューロンの約10％が活性化され、抑制されたニューロンはほとんどなく、この時点では活性化または抑制されたニューロンの割合に有意な年齢関連差はなかった[ χ2（2、 n = 349）= 1.51、 P = 0.47]、および全体的な人口活動に違いはありません（Z = 1.82、 P = 0.07; 図3, 左派）。 ニューロンが試験のために活性化されると、動物がフードトラフに入るまで活性化されたままになる傾向がありました。 時間的ダイナミクスは、ニューロンの一部がインストルメンタルポークとフードトラフエントリーの両方の周りでより強く活性化されるようなものでした。 人口活動に年齢による違いはありません（Z = –0.16、 P = 0.87）または単位カテゴリの割合[χ2（2、 n = 349）= 0.22、 P = 0.90]は、インストゥルメンタルpokeの前の0.5で見つかりました。 インストルメンタルポークの後、大人はより高い平均アクティビティを示しました（Z = 4.09、 P <0.01）およびユニットカテゴリの比率の違い[χ2（2、 n = 349）= 7.23、 P = 0.03]成体活性化ニューロンの割合が大きいため（Z = 2.53、 P = 0.01; 図3C, センター (NAIST) と テーブル1）。 同様に、食品トラフに入る前の0.5でより高い平均成人活動が観察されました（Z = 2.67、 P <0.01）、また、異なるユニットカテゴリの比率が観察されました[χ2（2、 n = 349）= 6.64、 P = 0.04]非常に大きな割合の成人の活性化ユニット（Z = 2.32、 P = 0.02; 図3C, 右派 (NAIST) と テーブル1）。 この期間中、試行ごとの神経活動はまだある程度の安定性の尺度を示しましたが、DS（映画S2）。 フードトラフに入った後の0.5の人口活動には、年齢に関連した有意な差はありませんでした（Z = - 0.61、 P = 0.54）、ただし、単位比率の違いが存在した[χ2（2、 n = 349）= 7.81、 P = 0.02]。 これは、この時点で思春期の抑制されたユニットのかなり大きな割合を反映しています（Z = - 2.81、 P <0.01; 図3C, 右派 (NAIST) と テーブル1）。 したがって、グループ間にいくつかの違いはありましたが、神経応答の一般的なパターン（およびユニット全体の活動）はDSよりもNAcの方が類似していました。
平均正規化LFPスペクトログラムは、NAcとDSの両方で青年と成人で類似していた（図4）。NAcでは、餌入れに入る前、青年と成人の両方でβ（13～30 Hz）帯域とγ（>30 Hz）帯域のパワーが低下し、成人ではγパワーの低下がより顕著であった。餌入れに入った後、両グループとも20 Hz付近を中心とした一時的なβパワーの増加を示した。θ（3～7 Hz）やα（8～12 Hz）などの低周波数では青年のLFPパワーが大きくなる傾向があり、餌入れに入ってから約500 ms後に有意な年齢差が認められた（図4 AおよびB）。DSでも同様のパターンが見られ、餌入れに入った直後のβパワーの増加は成人の方がやや大きかった（図4 CおよびD）。全体として、統計的コントラストマップ（図4BおよびD ）は、いくつかの注目すべき例外を除いて、多くの周波数にわたって青年と成人の報酬関連のLFP活動の類似性を示しています。
議論
思春期のDSでは報酬に関連した強い活性化が見られましたが、成人のDSでは見られませんでした。DSは習慣の形成と行動パターンの適応的制御に関連する構造です（11～13、22）。NAcは両年齢群で同様の反応を示しました。NAcではいくつかのユニット活動の差が見られましたが、これらの差は小さく、より一時的なものであり、この領域の神経活動の時間経過は両群間で非常に類似していました。これらの知見は、思春期における基底核構造の機能的成熟における報酬処理に関連する領域的異質性を示しており、DSとともに、これまで見過ごされてきた思春期の神経処理の差異の部位を示唆しており、これは年齢に関連した脆弱性に直接関係する可能性があります。また、ユニットレベルでは有意な年齢に関連した差異が見られましたが、fMRIやEEGのより大規模な領域信号に類似したLFP振動のパワーでは、そのような差異は容易に観察できませんでした（23）。
位相性神経活動データは、報酬予測中のDSの正確な役割、または報酬刺激がその神経表現に及ぼす影響が、青年と成人で異なることを示唆した。両グループとも、試行の開始時に活性化し、道具的反応時に一時的に抑制され、その後再び活性化するユニットを持っていた。これらのうち、他の研究と一致して、成人のユニットはより早く再活性化され、報酬の前にベースラインに戻った（24、25）。対照的に、青年の対応するユニットの活性化は、報酬の回収時までずっと持続した。したがって、DSに報酬予測ニューロンと表現できる相当数のグループを持っていたのは青年だけであった。他の研究者は以前にもDSで報酬前の活動を観察しているが（24～26）、ここで重要な点は、青年と成人では、そのような活動のパターンのバランスと時間経過が異なるということである。線条体は状況と行動の関連付けに直接的な役割を果たしていると考えられており（25 ） 、行動をより有利な行動に偏向させる「アクター・クリティック」モデルにおいてアクターとして機能している可能性がある（27）。線条体は黒質からドーパミン入力を受け、皮質領域からグルタミン酸投射を受け、淡蒼球にGABA投射を送り、淡蒼球はさらに視床に投射し、最終的に皮質にループバックする。未成熟な前頭前野または基底核領域からの求心性信号は、現在DSで観察されている年齢特異的なパターンを部分的に説明できる可能性がある。実際、我々は以前、この課題中に思春期の眼窩前頭皮質（OFC）の一部で抑制の減少と活性化の増加を観察しており（28）、OFCはDSのこの領域に直接投射している（29）。
自発的行動中のDSにおけるLFP θ波およびβ波振動の増加に関する以前の報告と一致して（30、31 ） 、青年と成人の両方が、餌槽に入る前と後にこれらを示した。DSにおける単一ニューロン活動の大きな違いにもかかわらず、LFP振動はDSとNAcの両方で2つの年齢グループ間で非常に類似していた。この発見は、ヒト青年の研究がfMRIやEEGなどのより大規模な機能的測定に焦点を当ててきたため重要である。fMRI信号とよりよく相関する大規模な領域振動が類似している場合でも、年齢に関連した頑健なニューロン活動の違いが見つかることを示す（23）。基底核LFP振動の機能は不明であるが、行動コンテキストによって変調される（30、31 ）が、これは2つの年齢グループで同じであった。
NAc では、一時的な差異を除けば、動員された活性化ユニットと抑制されたユニットの割合、およびそれらの応答の時間経過は、平均正規化集団活動に反映されるように、概ね類似していた。 NAc の操作は、動機付け、ベースラインの行動活動、および道具的行動の学習と実行に影響を与える ( 32 – 35 )。本研究では、青年期の NAc の神経活動の差異は、DS の差異と比較して、わずかで一時的なものであった。ヒトの fMRI 研究では、青年期と成人の報酬関連の NAc 活動の比較において一貫性がなかった。一部の研究では、報酬に対する青年期の NAc 信号がより強いことが示されている ( 36、37 )、他の研究では、より弱い信号 ( 38 ) またはより複雑な文脈依存パターン ( 39 )が見つかっている。この研究では、覚醒行動中の青年における皮質下単一ニューロン活動とLFP活動を記録し、この問題に光を当てています。すなわち、このような年齢に関連した差異は、測定される信号の種類によって異なる可能性があることを実証しています。私たちの発見は、NAcではOFCなどの他の領域よりも早く機能的成熟に達するという以前の証拠とも一致しています（37、28 ） 。しかし、青年期のDSニューロン活動が成人のそれと異なることを発見したことから、これはこれまで提唱されてきたように、単に皮質と皮質下の区別ではないと結論付けています（40）。
測定された行動の違いがないにもかかわらず、本研究の神経活動の違いが観察されたことを強調することが重要です。 行動パターンの実行におけるDSの役割のため、神経の違いは、測定されていない行動の違いに一部起因する可能性があります。 このような違いは常に可能ですが、現在の研究では、いくつかの理由で非常に起こりそうにないようです。 神経の比較は、ラットがタスクに非常に熟練しており、タスクに非常に集中していることが観察された場合にのみ行われました。 最大の神経の違いの期間は、機器の反応と餌入れに入るまでの時間でしたが、この行動の平均潜時は2つの年齢グループで本質的に同一でした。 さらに、神経の違いは特定の場所（例：報酬の予想中）で一貫して観察され、他の例（例：試行開始キューへの応答）では見られませんでした。一般に、各年齢層の両方の脳領域で類似していた。 一緒に、これらの調査結果は、特にDSで、同様の動作/コンテキスト中であっても、基本的な加齢に伴う神経処理の違いが存在するという解釈と一致しています。イベント。
結論として、報酬に関連する顕著な出来事は、成人ではなく青年のDSに強く影響を与えることがわかりました。これは、年齢に関連した行動および精神医学的脆弱性に関与するネットワーク内の新たな部位を示唆している可能性があります。この基底核構造は、正常な学習と記憶、習慣形成、および動機づけられた行動の他の側面において中心的な役割を果たしており、その機能不全は精神医学的問題と関連しています（41～43）。したがって、この領域の活動が発達を通じてどのように変化するか、また他の主要な脳領域との相互作用についてさらに学ぶことは、青年の脆弱性のメカニズムの理解と将来の臨床介入の設計にとって重要になります。青年の行動および精神医学的脆弱性の複雑さは、多くの脳領域が関与する多因子性であると考えられます。したがって、DSは、青年の行動および精神医学的脆弱性に（単独でではなく）一緒に重要な相互作用領域の1つにすぎません。思春期の電気生理学的記録や、行動状況における年齢に関連した神経処理の違いを研究するための行動クランプ法といった技術を用いることで、ネットワークレベルで思春期の脆弱性の基盤を理解できるようになることを期待しています。
材料と方法
被験者と手術。
動物実験の手順は、ピッツバーグ大学動物飼育使用委員会によって承認された。成体雄（生後70～90日、n = 12）および妊娠雌（胎生16日目、n = 4）のスプラーグ・ドーリーラット（ハーラン）は、12時間明暗サイクル（午後7時に点灯）で温度制御された飼育室で飼育され、餌と水は自由に摂取できた。同腹仔は雄の仔が6匹以下になるように間引かれ、生後21日目に離乳された（n = 16）。成体手術は、飼育環境に最低1週間慣れさせた後に行われた。青年期手術は、生後28～30日目に行われた。8本のワイヤーからなる微小電極アレイがNAcまたはDSに埋め込まれた（補足資料および方法）。ラットが行動課題を実行している間に、以前に記載した方法（ 28 ）で記録を行った。手動および半自動の選別技術（ 44 ）を組み合わせて、オフラインソーター（プレクソン）を使用して単一ユニットを分離した。
動作。
行動試験手順は、以前に記載したとおりに実施された（28、45）。ラットは、餌ペレット報酬を得るために道具的突進を行うことを学習した（図1AおよびSI材料と方法）。各セッションでは、試行の総数、試行開始合図から道具的反応までの平均潜時、および道具的反応からペレット回収までの潜時が評価された。これらのすべての測定値について、SPSSソフトウェアを使用して年齢×セッションの反復測定ANOVAが実行され（α = 0.05）、球形性の仮定が満たされない場合は下限df補正が行われた。
電気生理学分析。
電気生理学データは、Chronuxツールボックスの機能とともに、カスタム作成のMatlab（MathWorks）スクリプトを使用して分析しました（http://chronux.org/）。 単一ユニットの分析は、タスクイベントの前後のウィンドウでのイベント前後の発火率ヒストグラムに基づいていました。 単一ユニットのアクティビティは Z-scoreは、ベースライン期間中の各ユニットの平均およびSD発火率に基づいて正規化されました（キュー開始前に2を開始する3-sウィンドウ）。 平均人口単位活動は、タスクイベントの周りにプロットされました。 思春期と成人の単位活動の統計的比較は、ウィルコクソンのランクサム検定を使用して、関心のある先験的時間枠（キューの後、インストルメンタルポークの前後、およびフードトラフへの進入前後の0.5-sの窓）で行われました（として提示 Z値）、ボンフェローニは複数の比較のために修正されました。 帰無仮説は、この分析では次の場合に拒否されました。 P 0.01. 映画S1 (NAIST) と S2 セッション4〜6の間にビデオフレームを介してシングルトライアルステップで移動する5つのトライアル全体で、局所的に推定される散布図平滑化（LOESS）平均正規化発火率アクティビティを表します。 ビデオ時間は、各セッションの試行によるアクティビティの進化を表します。 ユニットは、特定のタイムウィンドウで3つの連続した50-msビンが含まれる場合、アクティブまたは禁止として分類されました。 Z ≥2または Z ≤−2、それぞれ。 これらの基準は、前述のようにノンパラメトリックブートストラップ分析を介して低い誤分類率をもたらすと検証されました（39）（SIの材料と方法）。 ユニットが分類されると、χ2 分析は、アクティブ化されたユニット、抑制されたユニット、および重要でないユニットすべてについて、対象のアプリオリウィンドウで実行されました。 有意なχのみ2 テストの後にホックが続きました Z-基礎となる重要なカテゴリの違いを判断するために2つの比率のテスト。 帰無仮説は次の場合に拒否されました P <0.05、で示される テーブル1 太字で。 ユニット募集のタイムコースを視覚化するために（アクティブ化または禁止として）、タスクイベントにタイムロックされた大きなウィンドウで500-ms移動ウィンドウ（250-msステップ）でカテゴリ分析を実行しました。
生の LFP 電圧トレースにクリッピング アーチファクトや外れ値 (平均電圧から ±3 SD) が含まれる試行を除外した後、高速フーリエ変換 ( SI 資料および方法) を使用して、各被験者の試行平均パワー スペクトルを計算しました。パワー スペクトルは、年齢グループごとに平均化されました。年齢に関連した類似点と相違点を強調するために、各時間 × 周波数ビンについて、青年と成人のスペクトログラムの正規化された LFP パワーを比較するTスコア コントラスト マップを作成しました。
脚注
著者らは、利害の対立を宣言していない。
この記事はPNASダイレクトサブミッションです。
この記事には、 www.pnas.org/lookup /suppl/doi:10.1073/pnas.1114137109/-/DCSupplemental にオンラインで掲載されている補足情報が含まれています。