과학 1 1 월 2016 : Vol. 351 no. 6268
DOI : 10.1126 / science.aac9698
- 에밀리 페 렌치1,2,*,
- 켈리 에이 자록 커키1,2,*,
- 코너 목소리3,*,
- 로간 그로 ick1,2,
- 멜리사 R. 소장4,
- Debha Amatya1,
- 키퍼 카토 비치5,
- Hershel Mehta5,
- 브라이언 파 테노 우드6,
- 샤루 라마 크리슈 난1,
- 폴 칼라 니티7,
- Amit Etkin6,
- Brian Knutson5,
- Gary H. Glover8,
- 칼 데이 서스1,4,9,†
추상
보상에 대한 동기 부여는 적응 행동을 이끌지 만, 보상 인식 및 경험의 손상 (무질험 증)은 우울증 및 정신 분열증을 비롯한 정신 질환에 기여할 수 있습니다. 우리는 내측 전전두엽 피질 (mPFC)이 쾌락 반응을 지배하는 특정 피질 하부 영역 사이의 상호 작용을 조절한다는 가설을 검증하고자했습니다. 쥐의 신경 활동을 국지적으로 조작하지만 세계적으로 시각화하는 optogenetic 기능적 자기 공명 영상을 이용하여 도파민 신경 자극은 선조체 활동을 유도하지만 mPFC 흥분성은이 선조체 반응을 감소시키고 도파민 자극에 대한 행동 유도를 억제한다는 것을 발견했다. 이 만성 mPFC 과잉 반응은 또한 자연스러운 보상 동기 행동을 안정적으로 억제하고 개인의 무증염의 정도를 예측하는 새로운 새로운 뇌 기능적 상호 작용을 유도합니다. 이 연구 결과는 mPFC가 특정한 먼 피질 하부 영역 사이의 역학적 상호 작용을 조절함으로써 보상 추구 행동의 표현을 조절하는 메커니즘을 설명한다.
보상 추구를 조정하는 방법
보상과 관련된 행동에 어떤 두뇌 영역이 관련되어 있습니까? 페 렌츠 치 et al. 세포 형태 특이 적, 뇌 이미징, 행동 테스트 및 생체 전기 생리학 (Robbins의 Perspective 참조)과 함께 광 생성 조작을 통합했습니다. 중뇌 도파민 신경 세포의 자극은 striatum이라 불리는 두뇌 영역에서의 활동을 증가 시켰으며, 개별 동물에 대한 보상 추구와 상관 관계가 있었다. 그러나, 전두엽 전두엽 피질이라고 불리는 영역의 증가 된 흥분성은 도파민 뉴런의 자극에 대한 선조체 반응 및 도파민 뉴런의 자극을 추구하는 행동 유도 모두를 감소시켰다. 마지막으로, 전두엽 전두 피질 피라미드 뉴런의 흥분성을 조절함으로써 신경 회로 동시성의 변화 및 상응하는 무너져 냄 (anhedonic) 행동을 유도 하였다. 이러한 관찰은 인간 우울증, 중독 및 정신 분열증에서 관찰되는 영상 및 임상 표현형과 유사합니다.
소개
보상을 찾고 체험하는 노력은 종 전체에 걸쳐 보존되며 포유류에서는 피질 선 도파민 계와 선조체와 같은 변연계 구조 사이의 상호 작용이 관련됩니다. 많은 정신과 적 상태에서 관찰되는이 과정의 손상은 무신경 증의 임상 증상입니다 (즐거움의 상실). anhedonia의 근원 인 신경 메커니즘은 알려져 있지 않지만 대뇌 피질의 보상 회로와 피질의 보상 회로 사이의 비정상적인 상호 작용으로 생길 수 있습니다. 우리는 증가 된 내측 전두 피질 (mPFC) 흥분성 (anhedonia와 연관된 임상 특징)이 두 개의 먼 피질 하부 영역 : 도파민 성 중뇌와 striatum 사이의 상호 작용에 대한 억제 제어를가한다는 가설을 검증하고자했습니다.
이론적 해석
임상 이미징 연구는 우울증 환자의 mPFC에서 증가 된 활성을 검출했으며, 치료는이 과잉 반응의 정상화와 무질서 증상의 개선과 관련이 있습니다. 또한, 인간의 연구는 보상과 경험에 반응하는 뇌의 영역을 확인했으며,이 반응은 정신 질환에서 억제 될 수 있습니다. 그러나이 보상 신호의 출처와 그 변조의 기제는 인과 적으로 증명되지 않았다. 우리는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)과 함께 다양한 만성 및 급성 optogenetic 도구를 통합하여 설치류 optogenetics의 인과성, 세포 특이성 및 인간의 신경 영상을 특성화하는 뇌 관측을 국부적으로 조작하고 전 세계적으로 목표로 삼았습니다 보상 활동을 규제하는 것을 이해하기 위해 신경 활동을 시각화합니다.
결과
우리는 중뇌 도파민 뉴런의 자극이 선조체 fMRI 혈액 산소 수준 의존성 (BOLD) 활동과 보상 추구 행동을 유도한다는 것을 입증하며, 이들이 개인간에 상관 관계가 있음을 보여줍니다. 우리는 또한 도파민 뉴런의 침묵이 striatum뿐 아니라 다른 뇌 영역 (예 : 시상 하부)에서의 활동을 억제하고 회피 행동을 유도한다는 것을 발견했습니다. 보상 추구 행동의 이러한 양방향 제어를 확립 한 후, 우리는 mPFC 흥분성의 상승을 통해이 회로의 혼란을 시험했다. 우리는 도파민에 대한 선조체 반응의 억제뿐만 아니라 도파민 뉴런 자극 및 기타 자연적으로 보람있는 자극을 찾는 행동 유도를 관찰했다. 마지막으로, 우리는 mPFC 흥분성이 안정적으로 상승하면 코티 쿨린 붕도 붕괴와 전기 생리 학적 활동을 동기화시켜 개별 동물에서의 무 절삭 행동을 예측할 수 있음을 입증합니다.
결론
국소 세포 특이적인 조절과 동시에 신경 활동에 대한 세계적으로 불편한 관찰과 관련된 실험으로부터 얻은 결과는 mPFC가 striatum과의 중뇌 도파민 성 상호 작용에 대한 하향식 제어를 가하고 mPFC의 상승 된 활동이 자연 보상을 억제 할 수 있음을 보여줍니다 - 관련 행동. 또한 우리는 피질 - 피질 하부 신경 역학이 보상 처리를 조절하기 위해 함께 작동한다는 것을 관찰합니다. 이러한 모든 연구 결과는 자연 현상과 관련된 생리학 및 행동뿐만 아니라 무척추 동물의 발병 기전에 대한 우리의 이해에 영향을 미칩니다.
Optogenetic fMRI는 보상과 관련된 뇌 전체의 신경 활동을 국부적으로 조작하고 전 세계적으로 시각화하는 데 사용되었습니다. 적응 된 쥐를 깨어있는 상태에서 스캔했다 (사진 맨 위). striatal BOLD 활성은 도파민 신경 세포의 광학 유전 자극에 의해 증가되고 광학 유전 신경 억제에 의해 감소된다. 우리는 focally 상승 mPFC의 흥분성이 선조체 도파민 유도 활동에 대한 하향식 제어를 발휘하여 보상 추구 행동을 억제하고 특정 corticolimbic 회로 사이 synchrony 드라이브를 보여줍니다.
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