Decodesch Neural Circuits, déi Kontroll Compulsive Sucrose Seeking (2015) (BINGE MECHANISM)

Fir LH Neuronen z'identifizéieren déi monosynaptesch Input fir d'VTA in vivo ubidden an hir Aktivitéit wärend fräi bewegt Verhalen observéieren, hu mir eng Dual-Virus Strategie benotzt fir channelrhodopsin-2 (ChR2) an LH Neuronen selektiv auszedrécken déi monosynaptesch Input fir de VTA ubidden (Figuren 1A an S1). Mir sprëtzen en adeno-assoziéierten virale Vector (AAV)₅) mat ChR2-eYFP an engem Cre-Rekombinase-ofhängeg duebel-ëmgedréinte oppene Liesframe (DIO) an den LH ze bauen fir lokal Somata z'infizéieren an e retrograd reesen Herpes Simplex Virus (HSV) ze injizéieren deen Cre-Rekombinase an de VTA dréit. Kierzlech Rekombinatioun erlaabt Opsin a Fluorophor Ausdrock selektiv an LH Neuronen déi monosynaptesch Input fir de VTA ubidden. Fir eis Approche ze bestätegen, hu mir ex vivo Ganzzell Patch-Clamp Opnamen an horizontale Gehireschnitter gemaach, déi den LH enthalen a vun Neuronen opgeholl, déi ChR2-eYFP ausdrécken, souwéi Nopeschlänner LH Neuronen, déi ChR2-eYFP negativ waren (Figure 1B). Liicht evokéiert Spike Latenzen, gemooss vum Liichtimpuls bis zum Héichpunkt vum Handlungspotential, gounge vun 3-8 ms (Figure 1C). Mir hunn och fonnt datt keng vun den net ausdréckenden (ChR2-negativen) opgeholl Zellen excitatoresch Äntwerten op Fotostimulatioun weisen (n = 14; Figure 1C), trotz hirer Proximitéit zu ChR2-expressiver Zellen.

Fir optogenetesch vermittelt Photoidentifikatioun in vivo ze maachen, gouf eng Optrode an den LH implantéiert fir neuronal Aktivitéit wärend enger sucrose-sichen Aufgab opzehuelen. An der selwechter Opnamssessioun hu mir verschidde Mustere vu Fotostimulatioun zur Verfügung gestallt fir ChR2-ausdréckend LH-VTA Neuronen z'identifizéieren (Figuren 1D an S1). Mir hunn d'Verdeelung vun excitatory Photoresponse latencies iwwer all LH Neuronen ënnersicht a weisen eng zäitgeméiss Ännerung an der Brennwäit als Äntwert op d'Beliichtung an observéiert eng bimodal Verdeelung (Figure 1E). Mir hunn eng Populatioun vun Neuronen observéiert wärend in vivo Opnamen mat Latenzen an enger Gamme vun 3-8 ms. Dëst war identesch mat dem Latenzberäich fonnt an ChR2-ausdréckende LH-VTA Neuronen wa mir ex vivo opgeholl hunn. Mir hunn dës Eenheeten als "Type 1" Eenheeten bezeechent (Figuren 1C, 1E an 1F). Zousätzlech gouf et eng ënnerschiddlech Populatioun vun Zellen mat ~ 100 ms Photoresponse Latenzen (Figuren 1E an 1G), a mir hunn dës "Type 2" Unitéiten bezeechent. Mir hunn och Neuronen observéiert déi als Äntwert op d'Fotostimulatioun vun den LH-VTA Neuronen gehemmt goufen (Figur S2), a mir hunn dës "Type 3" Unitéiten bezeechent. Mir vergläichen d'Aktiounspotenzial Dauer (wéi gemooss vun Héichpunkt bis Trough) an mëttlerer Brennraten vun Type 1 an Type 2 Eenheeten wéi och déi déi keng Photoresponse gewisen hunn (Figure 1H). D'Verdeelung vun den aktuellen Potential Dauer vum Typ 1 (Figure 1Ech) an den Typ 2 (Figure 1J) Eenheete weisen datt d'Majoritéit vun Type 1 Eenheeten eng Handlungspotentialdauer manner wéi 500 μs hunn (84%; n = 16/19, binomial Verdeelung, p = 0.002).

Och wann Typ 1 Eenheeten op Standardkritäre passen fir als ChR2 ausdrécklech ze klasséieren (Cohen et al., 2012, Zhang et al., 2013), war et net kloer, ob déi méi laang Latenz Photorespons vun Type 2 Eenheeten indicativ fir ChR2-ausdréckend Neuronen ass, déi reagéiert hunn. méi lues zur Fotostimulatioun, oder ob dësen Effekt duerch d'Netzwierkaktivitéit war. Entscheet datt d'ChR2-ausdréckend (Type 1) LH Neuronen direkt op de VTA projizéieren, war eng Méiglechkeet datt d'Type 2 Neuronen Feedback vun der VTA kréien (Figure 1K). Eng aner Méiglechkeet war datt Type 2 Neuronen mat Axon Kollateraler vun Type 1 Neuronen ageschalt goufen (Figure 1L). Fir tëscht dësen zwee méigleche Circuitmodeller ze differenzéieren, hu mir d'VTA a Verbindung mat der Fotoidentifikatioun an der LH inhibéiert.

Baséierend op eise Circuitmodeller, géife mir distal Inhibitioun erwaarden datt et keen Effekt op d'Fotoresponse vun der ChR2-expressiver LH Neuronen huet. Awer fotoresponsiv, awer net ausdrécklech, hunn d'LH Neuronen op de Feedback vun der VTA vertraut fir eng Zäit gespaart Äntwert op d'Liichtung z'erreechen (Figure 1K), mir géifen eng Dämpfung vu Photoresponses an dësen Neuronen op VTA-Inhibitioun erwaarden. Mir ausgedréckt ChR2 a LH-VTA Zellen wéi uewen, awer dës Kéier ausgedréckt och verbessert Halorhodopsin 3.0 (NpHR) an der VTA an implantéiert eng Optikfaser an der VTA Zousätzlech zu der Optrode an LH (Figure 2A). Mir hunn déiselwecht blo-Liicht Beliichtungsmuster an der LH fir all dräi Epochen geliwwert awer och VTA mat giel Liicht an der zweeter Epoch photohhibéiert (Figure 2A).

D'Fotoresponses vun Typ 1 Eenheeten zu bloeluucht Luucht an der LH goufen net beaflosst vu Fotoinhibitioun vun der VTA, wat konsequent mam ChR2 Ausdrock an Typ 1 LH-VTA Neuronen (Figure 2B). Am Géigesaz dozou huet d'Majoritéit vun Type 2 Eenheeten (87%; n = 13/15, binomial Verdeelung, p = 0.004) eng bedeitend Dämpfung vu Fotoresponsen u blo-Liichtimpulsen an der LH bei der Fotoinhibitioun vu VTA Neuronen. D'Äntwerten vun Type 1 an Type 2 Eenheeten wärend VTA Fotoinhibitioun ware wesentlech anescht (Chi-Quadrat = 7.64, p = 0.0057; Figuren 2B an 2C). Dës Differenzen kënnen och an de Max Z Scores während eenzel Epoche gesi ginn (Figure 2D) a mat der Giel-ON Epoch normaliséiert zu der Giel-OFF Epoch (Figure 2E). Dës Donnéeë proposéiere datt den Typ 2 LH Neuronen Input kréien (entweder direkt oder indirekt) vun der VTA (Figure 1K) anstatt iwwer lokal Axon Collaterals (Figure 1L).

Nodeems dës zwee ënnerschiddlech Aarte vu LH Neuronen an der LH-VTA Schleifen identifizéiert goufen, wollte mir natierlech optriede neurale Aktivitéit wärend enger sucrose Selbstverwaltungsaufgab iwwerpréiwen (Figure 3A). Mais goufen trainéiert fir Nosepoke Äntwerte fir eng Zeil virzestellen, déi d'Sucrose Liwwerung an engem Nopeschport virauszesoen (wéi an Tye et al., 2008). Fir eis z'ënnerscheeden neuresch Äntwerten op d'Nosepoke an d'Cue, goufen d'Cue an d'Sucrose op engem deelweise Verstäerkungsplang geliwwert, woubäi 50% vun de Nosepoke mat enger Cue a Saccharose Liwwerung gepaart goufen.

Typ 1 Eenheeten hunn phasesch Äntwerte fir d'Sacrose Portentrée gewisen, wéi an engem representativen Typ 1 Eenheet gesi ginn (Figure 3B) souwéi d'Bevëlkerungsdaten fir all Typ 1 Eenheeten (Figure 3C). Déi phasesch Äntwerte vun den Typ 2 Eenheeten hunn awer haaptsächlech d'Äntwerten op d'Belounsprediktive Cue reflektéiert (Figuren 3D an 3E). Déi normaliséiert Schéissmuster vun allen opgehollene Neuronen (n = 198, opgedeelt op Type 1, 2, 3 an net reaktiounsfäeg Eenheeten) gi fir all Task Komponent ugewisen: Nosepoke gekoppelt mat der Cue, Nosepoke beim Feele vun der Cue, an Sucrose Hafenentrée (Figure 3F). All Type 1 Eenheeten, déi taskrelevant phasesch Verännerungen an der Aktivitéit hunn (74%; n = 14/19) goufen entweder phasesch opgereegt oder duerch Saccharoseportentrée hemmt, mat enger klenger Zuel weist och phasesch Hemmung fir d'Belounungsprévisiv Cue (Figuren 3B, 3C, an 3G). Am Géigesaz, Typ 2 Eenheeten ware méi heterogen, mat Aufgab-responsiven Neuronen déi de Cue selektiv kodéieren (35%), d'Succrose Port-Entrée selektiv (26%), oder béid de Cue a Portentrée (12%; Figuren 3D, 3E, an 3H). Fir d'Kraaft vun den Äntwerte vun Type 1 an Type 2 Eenheeten op Aufgabrelevéiert Eventer ze illustréieren, hu mir all Zell op enger dreidimensionaler Komplott nom Z Score plotéiertFigure 3Ech). Fir d'Verdeelung vu phasesche Verännerunge beim Auszéien op multiple Aufsrelatéiert Eventer op e qualitativen Niveau ze weisen, hu mir d'Zuel vun den Zellen vun all Photoresponse Typ gepot, déi an eng bestëmmte Kategorie gefall sinn (Figure 3J).

Gitt déi gutt definéiert Roll vun der VTA am Belounungsviraussoen Feeler (z. B. déi phasesch Reduktioun vum DA Neuron Schéiss an der Äntwert op déi onerwaart Ausloossung vun enger Belounung an déi phasesch Erregung als Äntwert op onerwaart Belounungsliwwerung) (Schultz et al., 1997), hu mir ënnersicht ob LH Neuronen déi onerwaart Ausloossung vun enger Saccharose Belounung kodéieren. Fir dëst ze maachen, hu mir déi neuresch Aktivitéit vu fotoresponsive Neuronen wärend der selwechter Cue-Belounungsaufgab bei gutt ausgebilten Déieren opgeholl awer zoufälleg 30% vun der Saccharose Liwwerung no der Cue ausgelooss (Figure 4A).

D'Majoritéit vun den Type 1 Eenheeten (88%; n = 15/17, binomial Verdeelung, p = 0.001) waren onempfindlech fir Belounung ze belounen (Figuren 4B a 4D), wärend e grousst Ënnergrupp vun Type 2 Eenheeten (67%; n = 12/18) eng däitlech aner Äntwert op belounungspräsentéiert a belounung-ausgeloossene Prozesser (Figuren 4C an 4D). Mir hunn ofgeschloss datt LH-VTA (Type 1) Neuronen d'Kode vun der Entrée an den Hafen kodéiert, well dës Port-Entrée-Äntwerte persistent waren och beim Belounungsëmlaf (Figure 4D), am Géigesaz zum Typ 2 Eenheeten (Chi-Quadrat = 10.9804, p = 0.0009).

Fir ze bestëmmen ob Type 1 Äntwerten op Portentrée wirklech d'konditionéiert Äntwert kodéiert (CR), am Géigesaz zu engem allgemenge Belounungssich oder exploratorescht Verhalen, hu mir an ongeschaaftene Musse opgeholl déi nach net d'Aufgab kritt haten. An Aufgab-naive Mausen hu mir d'Sacrose an den Hafen geliwwert an der Verontreiung vun engem prévisiven Cue (onprediktéierter Belounungsliwwerung) a fonnt datt Typ 1 Eenheeten net phasesch Äntwerten op Portentrée gewisen hunn (Figuren 4E, 4F, an 4I), konsequent mam Modell datt den Typ 1 Neuronen den CR kodéiert (Figure 4J).

Als nächst, fir ze bestëmmen ob Type 2 Eenheetsaktivitéit konsequent mat engem Belounungsprognosen Feeler-ähnlechen Äntwertprofil ass, hu mir och dës Neuronen op gutt trainéiert Déieren während onberechenter Belounungsliwwerung opgeholl (Figure 4G). Mir hu festgestallt datt en Ënnersatz vun Type 2 Eenheeten op onberechenbar Saccharose Liwwerunge reagéiert huet (50%; Figuren 4G – 4I). Zesummegefaasst, Ënnerdeelunge vun Type 2 Eenheeten sinn empfindlech fir onerwaart Belounungsëmdreiwung (Figuren 4C an 4D) an onberechenbar Belounung Liwwerung (Figuren 4G – 4I), konsequent mat engem Belounungsprognose Feelerähnlechen Äntwertsprofil.

Wéi mir uewe gewisen hunn, stellen Typ 1 Eenheeten eng neural Korrelat vu CR. Wichteg ass d'Erhéijung vum Feierrate virum CR, anhalen bis den CR ofgeschloss ass (Figuren 3B, 3C, an 4B). Fir ze bestëmmen ob d'Aktivatioun vum LH-VTA Wee CR ka förderen, wollte mir d'Fäegkeet vun der LH-VTA Aktivéierung testen fir den CR am Gesiicht vun enger negativer Konsequenz ze testen. An wildtypem Mais hu mir ausgedréckt ChR2-eYFP oder eYFP eleng an LH Zellkierper a implantéiert eng Optikfaser iwwer d'VTA (Figuren 5A an S4). Ëmgedréit, fir d'Roll vum LH-VTA Passerelle beim Vermëttele vu CR oder Fütternbezunnen Verhalen ze testen, hu mir bilateral NpHR-eYFP oder eYFP alleng an LH Zellen ausgedréckt an eng optesch Faser iwwer der VTA implantéiert (Figuren 5A an S4).

Mir hunn eng Pavlovesch Konditiounsaufgab entworf, an där Liewensmëttel-verdrësselte Musse e Schockgitter musse iwwerschloen fir eng Succès Belounung ze kréien (Figure 5B). An der éischter "Baseline" Epoch (mam Schock Gitter aus), hu mir bestätegt datt all Maus déi Pavlovesch bedingt Approche Aufgab krut. An der zweeter ("Schock") Epoch huet d'Schock Gitter all Sekonn mëll Foussschocken geliwwert. Endlech, an der drëtter Epoche ("Shock + Light") hu mir weider Foussschocken geliwwert awer och beliicht LH Terminals an der VTA mat bloem Liicht (10 Hz) a Mais déi ChR2 ausdrécken a mat eYFP Kontrollen a giel Luucht (konstant) fir Mais déi NpHR ausdrécken an hir eYFP Kontrollen (Figure 5B).

Mir observéiert eng wesentlech méi héich Zuel vu Portentréisungen pro Cue wärend der Schock + Liicht Epoch an e wesentlech méi héijen Ënnerscheedsscore (Schock + Liicht Epoch - Schock-nëmme Epoch) bei ChR2 Mäusen relativ zu eYFP Mice (Figure 5C an Film S1). Am Géigesaz dozou huet d'Fotoinhibitioun vum LH-VTA Wee eng bedeitend Reduktioun vun den Port-Entréen pro Cue an Ënnerscheed Partituren an den NpHR-Mais relativ zu eYFP-Méis (Figure 5D an Film S2). Bannent Sessioun Ausstierwen Experimenter wärend Cue-Presentatiounen net vu Succès Liwwerunge gefollegt goufen hunn ähnlech Trends an Effekt gewisen (Figur S4).

Wichteg, mir wollte bestëmmen ob d'Verännerunge vun der Erfollegsuféierung, déi mir kritt hunn, verursaacht goufen duerch Verännerunge vum Ernärungsverhalen oder Empfindlechkeet fir Schmerz. Mir observéiert datt d'Fotoaktivéierung vun der LH-VTA Projektioun d'Zäit verbraucht Zäit fir gutt gefüttert Méis an der ChR2 Grupp ze ernähren huet (Figure 5E). Allerdings ass d'Fotoinhibitioun vum LH-VTA Wee net vill Fütterung reduzéiert (Figure 5F), och wann dës Déieren d'Liewensmëttel entlooss goufen fir eis Fäegkeet ze verbesseren fir eng Reduktioun relativ zu der Epochebasis z'entdecken (verglach mat gesaten Déieren an Figure 5E). A weder de ChR2 (Figure 5G) nach NpHR Grupp (Figure 5H) hu mir en Ënnerscheed an der Latenz zum Schwäifentzuch aus waarmem Waasser observéiert (Ben-Bassat et al., 1959, Grotto a Sulman, 1967), wat beweist datt d'Manipulatioun vun der LH-VTA Projektioun keng Analgesie verännert huet.

Fir d'Kompositioun vun de schnelle Iwwerdroungskomponente vu LH Inputen op d'VTA ze studéieren déi dës Effekter ausléisen, hu mir Ganzzell Patch-Clamp Opnamen aus VTA Neuronen an enger akuter Scheifpräparatioun gemaach wärend mir optesch LH Inputen aktivéieren ausdrécken ChR2-eYFP (Figuren 6A an S5). Gitt datt et gutt etabléiert Heterogenitéit an der VTA ass, abegraff ~ 65% DA Neuronen, ~ 30% GABA Neuronen, an ~ 5% Glutamat Neuronen (Margolis et al., 2006, Nair-Roberts et al., 2008, Yamaguchi et al., 2007), hu mir Zellen mat Biocytin gefëllt wärend der Opnam fir d'Identifikatioun vum Zelltyp mat post-hoc Immunhistochemie fir Tyrosin Hydroxylase (TH; Figure 6B), zousätzlech zu der Hyperpolariséierung-ageschaltter Katiounsstroum (I.)_h) an Kartellzellplaz (Figuren 6B an S5).

Als éischt hu mir an Stroumclamp während der Photostimulatioun vu ChR2-ausdrécklech LH Inputen opgeholl an observéiert datt 23 vun 27 Neuronen eng Zäit gespaart Äntwert op Photostimulatioun vu LH Inputen gewisen (Figure 6C). D'Majoritéit vun DA Neuronen, déi an der VTA gepréift goufen, kruten en netz excitatoreschen Input vun der LH (56%), wärend eng aner Subset nethemmend weist (30%; Figure 6C). Déi raimlech Verdeelung vun dësen DA Neuronen gëtt op enger Atlas fir horizontale Scheiwen mat der VTA kartéiert.Figure 6D).

Fir de monosynaptesche Bäitrag vu LH Inputen zu VTA DA Neuronen z'erstellen, hu mir ChR2-assistéiert Circuit Mapping benotzt, wou Spannung-Klemmopnamen a Präsenz vun Tetrodotoxin (TTX) a 4-Aminopyridin (4AP; Petreanu et al., 2007) gemaach goufen. . Konsequent mat eisen Observatioune vun aktuellen-Klemmopnamen, hu mir observéiert datt d'Majoritéit vun opgehollene VTA DA Neuronen exklusiv excitatoresch monosynaptesch Input vum LH (67%) krut, am Verglach zu VTA DA Neuronen déi exklusiv hemmend monosynaptesch Input (11%) kruten, oder béid (22%; Figuren 6E an S6).

Mir hunn VTA GABA Neuronen identifizéiert andeems mir eng Cre-ofhängeg Fluorophor (AAV) injizéieren₅-DIO-mCherry) an d'VTA vu VGAT :: Cre Mais an benotzt mCherry Ausdrock fir d'Opnam vu VTA GABA Neuronen (n = 24; Figure 6F). Fënnefzeg-sechs Prozent vu VTA GABA Neuronen hunn mat Netz excitation geäntwert, wärend 54% mat Net-Inhibitioun geäntwert hunn, zur Photostimulatioun vun ChR2-ausdrécken LH Inputen (Figure 6G). Déi raimlech Verdeelung vun dësen Zellen gëtt a gewisen Figure 6H. Bei der Untersuchung vum monosynapteschen Input vum LH (wéi uewen beschriwwen), hu mir fonnt datt 18% vun de gesammelten GABA Neuronen exklusiv excitatoreschen Input krut an 9% exklusiv hemmende Input kritt (Figure 6Ech). Wéi och ëmmer, relativ zu VTA DA Neuronen hu mir festgestallt datt méi VTA GABA Neuronen béid excitatoresch AMPAR-vermittelt an hemmend GABA kruten_AR-vermittelter monosynapteschen Input vum LH (73%; Chi-Quadrat = 5.0505, p = 0.0246; Figuren 6Ech an S6).

Entscheet datt eis ex vivo Opzeechnunge Beweiser hunn, déi robust Input vu béide GABAergic a glutamatergesche LH Projektiounen zur VTA ënnerstëtzen, hu mir d'Roll vun all Komponent onofhängeg ënnersicht. Fir dëst ze maachen, hu mir transgene Mauslinne benotzt déi Cre-Rekombinase an Neuronen ausdrécken, déi entweder vesikulär Glutamattransporter 2 (VGLUT2) oder vesikulär GABA Transporter (VGAT) ausgedréckt hunn. Mir hunn AAV injizéiert₅-DIO-ChR2-eYFP oder AAV₅-DIO-eYFP an den LH vun VGLUT2 :: Cre an VGAT :: Cre Mais an hunn en Optikfaser iwwer d'VTA implantéiert (Figur S7). Dës Déieren goufen dunn op jiddfer vun de Verhalensassays ausgewisen Figure 5.

Mir hu keng detekterbar Differenzen an der Unzuel vun den Port-Entréen, déi pro Cue gemaach goufen tëscht de Mais ausdrécken, déi ChR2 oder eYFP an der LH ausdrécken^gluten-VTA Projektioun (Figure 7A) oder an der LH^GABA-VTA Projektioun (Figure 7B). Wéi och ëmmer op der Videoanalyse hu mir aberrant Knaschtverhalen am LH gemierkt^GABA-VTA: ChR2 Grupp op blo Luucht Luucht (kuckt Filmer S3 an S4). An der LH^gluten-VTA Mais, obwuel et en Trend war fir eng Reduktioun vun der Ernärung mat der Photostimulatioun an der ChR2 Grupp am Verglach zu der eYFP Grupp, war dëst net statistesch bedeitend (Figure 7C). Am Géigesaz hunn mir eng robust Erhéijung vun der Zäit verbraucht, déi an gesatenen Mais bei der Luucht am LH fidderen^GABA-VTA: ChR2 Grupp relativ zu Kontrollen (Figure 7D an Film S3). A weder Grupp vun Déieren gouf et en Effekt vu Liichtstimulatioun am Schwanz-Réckzuchsassay (Figuren 7E an 7F).

Wärend der Fütungsaufgabe, sou wéi mir et beim Erfolleg vun der Erfollegsuféierung gemaach hunn, hu mir nach eng Kéier aberrant Fütternhaft Motorsekvensen gemierkt, déi net op d'Liewensmëttel geriicht waren. Mir hunn eng representativ Maus an der LH gefilmt^GABA-VTA: ChR2 Grupp an enger eidel transparenter Kammer, an op 20 Hz Fotostimulatioun hu mir ongewéinlech appetitlech Motorsequenzen beobachtet wéi lecken an de Buedem knabberen oder eidel Plaz (Film S4). Mir quantifizéiere dës "knaschteg" Behuelen wärend der Fütternaufgab an der Wëldtyp LH-VTA (Figure 7G), LH^gluten-VTA (Figure 7H), an LH^GABA-VTA (Figure 7Ech) Gruppen a weisen datt LH^GABA-VTA: ChR2 Mais musse méi geknuppt gi wéi Wëldtyp oder LH^gluten-VTA: ChR2 Mais wann se fotostimuléiert sinn, am Verglach zu hiren respektiven eYFP Gruppen (Figure 7J). Mir hu beduecht ob déi aberrant Fudder-verwandt Verhalen eventuell vun der adäquat direkten Füttern op méi déif Frequenzen getrennt sinn. Wéi mer dunn awer d'LH getest hunn^GABA-VTA: ChR2 Grupp mat 5 Hz an 10 Hz Zich vu bloer Luucht, mir hunn eng proportional Relatioun tëscht Stimulatiounsfrequenz a béid Füttern a Knabberen observéiert (Figure 7K).

D'LH Projektioun zu der VTA gouf mat elektresche Stimulatiounskollisionsstudien (Bielajew a Shizgal, 1986) exploréiert an ass laang hypothetiséiert fir eng Roll an der Belounungsveraarbechtung ze spillen (Hoebel an Teitelbaum, 1962, Margules and Olds, 1962), awer nach festgestallt dëst d'Roll war eng Erausfuerderung. Hei liwwere mir eng detailléiert Dissektioun vu wéi eenzel Komponenten vun der LH-VTA Loop verschidden Aspekter vun enger Belounungsrelaterter Aufgab verschaffen.

Duerch d'Benotzung vun optogenetesch-mediéierten Phototagging (Figure 1), hu mir zwee getrennte Populatiounen vun LH Neuronen identifizéiert: Zellen déi Projektiounen op d'VTA (Type 1) schécken an Zellen déi Feedback vun der VTA kréien (Type 2; Figure 2) - Och wann dës Populatiounen net géigesäiteg exklusiv musse sinn, well et méiglech ass datt LH Neuronen souwuel Input vun a vun der VTA kënne verschécken an kréien. Interessanterweis hu mir festgestallt datt relativ wéineg fotoresponsive Neuronen ausserhalb vun der bimodaler Verdeelung falen déi dës zwou Populatiounen ëmkapselen (S2B an 1E). Entscheet dëst, a Kombinatioun mat der laanger Latenz Verspéidung am Type 2 Photoresponses (~ 100 ms), spekuléiere mir datt et een dominante Wee ka ginn deen zu der Aktivitéit vun Type 2 Neuronen bäidréit. Zousätzlech, well DA G Proteinkoppelrezeptoren bindet, sinn d'Kinetik méi lues wéi déi meescht glutamatergesch Synapsen (Girault a Greengard, 2004) a kënnen dëse Cluster vun 100 ms Latenz Fotoresponsiv Eenheeten erklären. Et ass och méiglech datt d'VTA indirekt Feedback duerch aner distal Regiounen, iwwer excitatoresch Zwëscheregioune wéi d'Amygdal, oder mat Desinhibitioun iwwer den Nukleus accumbens (NAc) oder Bettkär vun der Stria terminalis (BNST) liwwert.

Interessanterweis, wärend d'Fotostimulatioun vun Type 1 Eenheeten opreegend Äntwerte bei Type 2 Eenheeten ausléist, weisen Type 1 an 2 Eenheeten ënnerschiddlech Verhalenskodéierungseigenschaften. Zum Beispill d'Zuelen vun Type 1 an Type 2 Eenheeten déi selektiv d'Belounungsprévisiv Cue kodéieren sinn wesentlech anescht (n = 0/19 Type 1 versus n = 12/34 Type 2, Chi-Quadrat = 8.67, p = 0.003) . Dëst paradoxe Reaktiounsmuster kéint wéinst Berechnungsprozesser an engem Zwëschenkreeselement sinn, wéi zum Beispill der VTA, déi eng aktiv Roll wärend der Verhalensaufgab awer inaktiv wärend der Fototagging spillen. Zousätzlech kann de Verhalenszoustand vum Déier beaflossen wéi dës Date veraarbecht ginn.

Eis Belounungsëmfeelungsexperimenter hunn et eis erlaabt z'ënnerscheeden tëscht LH neurale Kodéierung vum CR an dem Verbrauch vum onkonditionéierte Stimulus (US). An dësen Experimenter huet en Ënnerdeel vun Type 2 Eenheeten op d'Belounsprediktiounssignal (CS) an d'USA geäntwert an och e Réckgang am Feierrate gewisen wann erwaart Belounungen ewech gelooss goufen. Ausserdeem weist eng Ënnerdeelung vun den Typ 2 Eenheeten och phasesch Excitation bei onerwaarter Belounungsliwwerung (Figuren 4G a 4H). Dës Donnéeë sinn erënnerend un d'Art a Weis wéi DA Neuronen am VTA eng Belounungsprognosiounsfehler kodéieren (Cohen et al., 2012, Schultz et al., 1997). Mir spekuléieren datt VTA Neuronen Belounungsprognosiounsfehler Signaler an en Ënnergrupp vun LH Neuronen weiderginn, déi gutt positionéiert sinn fir dës Signaler z'integréieren fir d'Bestëmmung vun engem passenden Verhalensausgang. Spezifesch ass den LH robust verbonne mat enger Villzuel vun anere Gehirregregiounen (Berthoud a Münzberg, 2011) a gouf verursaacht mat homostatesche Staaten wéi Schlof / Erhuelung an Honger / Sättigung (Carter et al., 2009, Jennings et al. , 2013).

Compulsivt Belounungssichend Verhalen ass haaptsächlech am Kontext vun der Drogenubannung diskutéiert ginn, woubäi e klassescht Paradigma fir compulsive Medikamenter war fir z'ënnersichen wéi wäit d'Drogen-sichen Verhalen an der Gesiicht vun enger negativer Konsequenz ass, wéi e Fouss Schock (Belin et al., 2008, Pelloux et al., 2007, Vanderschuren an Everitt, 2004). Mir hunn dës Aufgab fir Saccharose ugepasst fir eis z'erméiglechen z'ënnersichen ob Aktivatioun vum LH-VTA Wee genuch war fir compulsive Saccharosefërderung ze promoten. Entscheet datt en ënnerscheet Ënnerscheed tëscht Drogen an natierlecher Belounung ass datt Medikamentbelounungen net fir d'Iwwerliewe noutwenneg sinn, gëtt et Kontrovers wéi e Verhalen zwangsüchteg Saccharose- oder Nahrungssuchend Verhalen ass. Eng alternativ Interpretatioun vun eisen Daten ass datt d'Aktivatioun vum LH-VTA-Wee einfach d'motivatiounsfäeg oder den Drang erhéicht fir appetitlech Verstärker ze sichen. Wéi d'Tariffer vun der Adipositas an de leschte Joerzéngten eropgaang sinn (Mietus-Snyder a Lustig, 2008), compulsive Iwwerméissung an Zocker Sucht si verbreet Konditiounen déi eng grouss Gefor fir d'Gesondheet vun der Mënschheet sinn (Avena, 2007). D'Fütterungsverhalen an satéiert (voll gefüttert) Mais no der Aktivatioun vum LH-VTA Wee ass erënnerend un Iessverhalen, déi bei de Mënsche gesi ginn, diagnostizéiert mat compulsive Iessstéierung (oder Binge-Iessstéierungen) (DSM-V).

Et gouf proposéiert datt widderholl Aktiounen zu der Formation vu Gewunnechten féieren, déi selwer zu der compulsive Belounung féieren, déi Sucht charakteriséiert (Everitt a Robbins, 2005). Eise Fonnt datt LH-VTA Neuronen nëmme Portentrée nom Konditionéierung kodéieren suggeréiert datt dëse Wee selektiv eng bedingt Äntwert kodéiert, net nëmmen eng motivéiert Handlung. Dëst ass konsequent mat eisen Observatiounen, déi dës Projektioun optesch aktivéieren kann eng compulsive Belounung am Gesiicht vun enger negativer Konsequenz förderen (Figure 5C), souwéi an der Verontreiung vu Bedierfnesser (wéi bei gesatenem Mais gesinn, Figure 5E). Dës Interpretatioun gëtt weider begrënnt duerch eis Fonnt datt d'Fotoinhibitioun vum LH-VTA Wee selektiv de compulsive Succès sicht (Figure 5D) awer reduzéiert net d'Ernärung bei Iessbegrenzte Mais (Figure 5F). Eng vun de gréissten Erausfuerderunge bei der Behandlung vu kompulsiver Iwwereegungs- oder Binge-Eat Stéierungen ass de Risiko fir d'Verhalen am Allgemengen ze schueden. Aus enger Iwwersetzungsperspektiv, hu mir e spezifeschen Neuralkrees als e potenziellt Zil fir d'Entwécklung vun therapeutesche Interventiounen fir Zwangsiwwerdroung oder Zocker Sucht identifizéiert ouni d'Onergie vun der natierlecher Ernierung.

Mir weisen datt zousätzlech zu engem glutamatergesche LH-VTA Komponent (Kempadoo et al., 2013), et och e bedeitende GABAergesche Bestanddeel an der Projektioun ass (Leinninger et al., 2009), an datt LH Neuronen direkt op DA an Synaps synapsen. GABA Neuronen an der VTA (Figure 6). Wéi och ëmmer, et ass en Ënnerscheed am Gläichgewiicht vun der excitéierend / hemmende Input op VTA DA a GABA Neuronen.

Wärend mer immunohistochemesch Veraarbechtung benotzt hunn fir d'Identitéit vun de VTA Neuronen z'iwwerpréiwen, hu mir och ech gemooss_h, eng hyperpolariséierungsaktivéiert no bannen rectifizéierend net spezifesch Katiounstroum (Lacey et al., 1989, Ungless a Grace, 2012). D'Präsenz vun dësem Stroum gouf wäit an elektrophysiologesche Studie benotzt fir DA Neuronen z'identifizéieren, awer et gouf gezeechent datt se nëmmen an Ënnerpopulatioune vun DA Neuronen präsent sinn, ofgestëmmt duerch Projektiounsziel (Lammel et al., 2011). Och wann et virdru schonn an enger Iwwerpréiwung vu Fields a Kollegen virgeschloe gouf datt "LH Neuronen op VTA Projektiounen op de PFC synapséieren, awer net déi, déi op den NAc projizéieren" (Fields et al., 2007), eis Donnéeë suggeréieren datt dës Kontrovers erëm opgemaach gëtt. fir weider Enquête. Och wa mir e Subset vun DA Neuronen observéiert hunn, déi d'Netzerregung aus dem LH krut an e ganz klengen I haten_h (konsequent mat mPFC- oder NAc medial Shell-projizéierend DA Neuronen), hu mir och e Subset vun DA Neuronen observéiert déi net excitativ Input krut an e groussen I_h (konsequent mat Charakteristike vun DA Neuronen, déi op d'Spalterschuel vun der NAc projizéieren; Figur S5; Lammel et al., 2011). Ëmgedréit hunn VTA DA Neuronen, déi en net hemmenden Input kruten, e ganz klengen I gewisen_h oder huet dëse Stroum gefeelt, wat konsequent ass mam Begrëff datt den LH haaptsächlech hemmend Input op VTA DA Neuronen schéckt, déi op de mPFC oder d'Medialschuel vum NAc projizéieren. Mir weisen och datt LH Inputen a béid medialer a lateraler VTA observéiert kënne ginn, wat suggeréiert datt den LH Inputen op VTA Neuronen mat verschiddenen Projektiounsziler bitt, well et ass bekannt datt VTA Projektiounsziel e bësse mat der raimlecher Plaz laanscht eng medial-lateral Achs entsprécht ( Lammel et al., 2008).

D'Roll vum LH-VTA Wee fir d'Belounung ze promouvéieren ass virdru der glutamatergescher Iwwerdroung an der VTA zougeschriwwe ginn (Kempadoo et al., 2013), well de CaMKIIα Promoteur gëtt dacks als selektiv fir excitatoresch Projektiounsneuronen ugeholl. Wéi och ëmmer, eis Daten weisen kloer datt ChR2 ënner der Kontroll vum CaMKIIα Promoteur ausdréckt och Ziler GABAergesch Projektiounsneuronen am LH (Figure 6).

D'Verhalen opgeworf mat der Photostimulatioun vun der LH^GABA-VTA Wee war frenzéiert, falsch geriicht, a falsch ugepasst (Film S4). Eng Interpretatioun ass déi Aktivatioun vun der LH^GABA-VTA Wee schéckt e Signal un d'Maus déi d'Unerkennung vun engem appetitleche Verstärker verursaacht. Eng alternativ Interpretatioun ass datt d'LH^GABA-VTA Wee kéint en Ureiz Salience féieren oder e intensiv "wëllen", konsequent mat engem Signal ënnergrenzend bedingt Approche, awer op engem net-physiologeschen Niveau deen dëst aberrant Fudder-verwandt Verhalen (Berridge a Robinson, 2003) produzéiert. Konsequent mat dësem ass et méiglech datt eng Aktivatioun vun der LH^GABA-VTA Projektioun produzéiert tatsächlech intensiv Sensatiounen vu Verlaangen, oder drängen ze ernähren. Wéi och ëmmer, eis Experimenter weisen dës Aktivatioun vu LH^GABA-VTA produzéiert keng Erhéigung vum compulsive Succès Sichen, awer dëst ass méiglecherweis wéinst dem exzessive Knascht an aberrant appetitlech Behuelen, déi sech op net-Liewensmëttel Objekter an der Testkammer fokusséieren. Och wann et schwiereg ass d'Erfahrung vun der Maus während dëser Manipulatioun ze bestëmmen, ass et kloer datt passend geriicht Ernärungsverhalen e koordinéiert Aktivéierung vu béide GABAergic wéi och glutamatergesche Komponenten vun der LH-VTA Wee erfuerderen.

Optogenetesch a pharmakogenetesch Manipulatioune si mächteg Tools fir kausalesch Bezéiungen ze etabléieren, awer si weisen net déi endogene, physiologesch Eegeschafte vun neurale Circuitelementer. Eis Studie vereenegt Informatiounen iwwer d'synaptesch Konnektivitéit, déi natierlech optriede endogene Funktioun, an d'kausal Roll vun der LH-VTA Wee, en neie Niveau vun der Abléck bitt wéi d'Informatioun an dësem Circuit integréiert ass. Dës Resultater Highlight d'Wichtegkeet vun der Untersuchung vun der funktioneller Roll vun Neuronen duerch Konnektivitéit, zousätzlech zu genetesche Marker. LH-VTA Neuronen kodéiert d'Aktioun vun der Belounung sicht selektiv awer hu keng Ëmweltsstimulie verschlësselt, wärend déi belounend Stimulien a belouningsprediktiv Zeechen kodéiert goufen vun enger diskret Populatioun vu LH Neuronen no ënnen vun der VTA. Ausserdeem hu mir eng spezifesch Projektioun identifizéiert déi kausalesch mat engem compulsive Succes-Sich a Fütternverhalen ass. D'Heterogenitéit an der LH-VTA-Projektioun ass noutwendeg fir en adaptiven Gläichgewiicht tëscht Fueremotivatioun a Reguléiere vun enger adäquat geriicht appetitlecher Behuelen. Dës Befindunge liwweren Ablécker déi relevant sinn fir pathologesch Bedéngungen wéi compulsive Iwwersetzungsstéierung, Zocker Sucht, an Adipositas