Prefrontal Cortikale Regulatioun vun der brutopäescher Schaltdynamik a belount-related Verhalen (2016)

Science 1 Januar 2016: Vol. 351 Nr. 6268

DOI: 10.1126 / Science.aac9698

  1. Emily A. Ferenczi1,2,*,
  2. Kelly A. Zalocusky1,2,*,
  3. Conor Liston3,*,
  4. Logan Grosenick1,2,
  5. Melissa R. Warden4,
  6. Debha Amatya1,
  7. Kiefer Katovich5,
  8. Hershel Mehta5,
  9. Vum Brian Patenaude6,
  10. Charu Ramakrishnan1,
  11. Paul Kalanithi7,
  12. Amit Etkin6,
  13. Vum Brian Knutson5,
  14. Gary H. Glover8,
  15. Karl Deisseroth1,4,9,

mythologesch

Motivatioun fir Belounung dréit adaptiv Behuelen, wärend eng Verschlechterung vun der Belounungsperceptioun an Erfarung (Anhedonia) zu psychiatresche Krankheeten bäidroe kënnt, abegraff Depressioun a Schizophrenie. Mir hunn d'Hypothese getest datt d'Medial prefrontal Cortex (mPFC) Interaktioune tëscht spezifesche subkortikale Regiounen kontrolléiert, déi hedonesch Äntwerte regéieren. Mat Hëllef vun optogenetescher funktioneller magnetescher Resonanz Imaging fir lokal ze manipuléieren awer global visuell neurale Aktivitéit bei Ratten ze gesinn, hu mir fonnt datt dopamin Neuron Stimulatioun eng statal Aktivitéit féiert, wärend lokal erhéicht mPFC Excitabilitéit reduzéiert dës striatal Äntwert an hemmt de Verhalensféierung fir dopaminerg Stimulatioun. Dës chronesch mPFC Iwweraktivitéit stäipt och stabil natirlech belount-motivéiert Verhalen an induzéiert spezifesch nei Brainwide funktionell Interaktiounen, déi de Grad vun der Anhedonia bei Eenzelen virauszesoen. Dës Befindunge beschreiwen e Mechanismus, duerch deen mPFC den Ausdrock vun der Belounungssichungsverhalen moduléiert, andeems déi dynamesch Interaktioune tëscht spezifesche wäit subkortikale Regiounen reguléiert ginn.

E Wee fir Belounungssich ze moduléieren

Wéi eng Gehirregiounen si kausal an der Belounungsmoossnahm verwéckelt? Ferenczi et al. kombinéiert fokal, Zellypspezifesch, optogenetesch Manipulatioune mat Gehirerbildung, Verhalungstestung an In vivo Elektrophysiologie (kuckt d'Perspektiv vum Robbins). Stimulatioun vu Mëttbrain-Dopamin-Neuronen erhéicht Aktivitéit an enger Gehirregioun, déi de Stratum genannt gëtt a war mat Belounungssich duerch eenzel Déieren korreléiert. Wéi och ëmmer, erhéijen Exitabilitéit vun engem Gebitt dat de mediale prefrontale Cortex genannt gëtt, reduzéiert béid striatal Äntwerten op d'Stimulatioun vun Dopamin Neuronen an de Verhalensdrift fir d'Stimulatioun vun Dopamin Neuronen ze sichen. Schlussendlech, d'Moduléiere vun der Excitabilitéit vu medialen prefrontale Cortex pyramidale Neuronen hunn Ännerungen an der neurale Circuit Synchrony gefuer, souwéi entspriechend anhedonescht Verhalen. Dës Beobachtungen ähnlech Imaging a klinesch Phenotypen, déi a mënschlecher Depressioun, Sucht, a Schizophrenie observéiert ginn.

dem Wieler

De Fuere fir Belounung ze sichen an ze erliewen ass iwwer Spezies konservéiert an, bei Mamendéieren, handelt et ëm Interaktiounen tëscht subkortikalen dopaminergesche Systemer a limbesche Strukturen wéi de Stratum. Verschlechterung vun dësem Prozess, observéiert iwwer eng Rei vu psychiatresche Konditiounen, ass de klineschen Symptom vun der Anhedonie (Verloscht vum Genoss). Déi neurale Mechanismen ënner der Anhedonie sinn onbekannt awer kéinten duerch anormal Interaktiounen tëscht kortikalen an subkortikesche Belounungskreesser resultéieren. Mir hunn d'Hypothese getest datt d'Héicht vun der medialer prefrontaler Cortex (mPFC) Excitabilitéit (eng klinesch Feature assoziéiert mat der Anhedonia) eng suppressiv Kontroll iwwer d'Interaktioune tëscht zwee fernen subkortikesche Regiounen ausübt: d'dopaminerg Mëttlerrain an de Stratum.

RATIONALE

Klinesch Imaging Studien hunn erhéit Aktivitéit am mPFC bei mënschleche Patienten mat Depressioun festgestallt, a Behandlung ass mat der Normaliséierung vun dëser Overaktivitéit a Verbesserung vun anhedonesche Symptomer assoziéiert. Zousätzlech hu mënschlech Studien Gebidder vum Gehir identifizéiert, déi op eng Belounung Antizipatioun an d'Erfahrung reagéieren, an dës Äntwert kann a psychiatrescher Krankheet verdréckt ginn. Wéi och ëmmer, d'Quell vun dësem Belounungssignal an d'Mechanismen, déi hir Modulatioun ënnerläit, goufen net causal demonstréiert. Mir hunn eng divers Serie vu chroneschen an akuten optogeneteschen Tools integréiert mat funktionneller magnetescher Resonanz Imaging (fMRI) fir eng Bréck tëscht der kausaler, cellulärer Spezifizitéit vun der Nager-Optogenetik ze bidden an d'Gehirnwäit Observatiounen, déi de Mënsch neuroimaging charakteriséieren, mam Zil lokal lokal ze manipuléieren a global visualiséiere neurale Aktivitéit fir d'Reguléierung vum Belounungssichungsverhalen ze verstoen.

RESULTATER

Mir demonstréieren datt Stimulatioun vu Mëttbrain-Dopamin Neuronen béid striatal fMRI Blutt Sauerstoffniveau-ofhängeg (BOLD) Aktivitéit a Belounungssichungsverhalen dréit, a mir weisen datt dës duerch Eenzelen korreléiert sinn. Mir zousätzlech fannen datt Silencing vun Dopamin Neuronen Aktivitéit am Stratum verstoppt, souwéi an anere Gehirregiounen (wéi den Hypothalamus), an dréckt d'Vermeidungsverhalen. Nodeems mir dës bidirektional Kontroll vu Belounungssichungsverhalen etabléiert hunn, hu mir dunn op Perturbatioun vun dësem Circuit iwwer Héicht vun mPFC Excitabilitéit getest. Mir observéiert Ennerdréckung vu striatal Äntwerte fir Dopamin, souwéi de Verhalensdrift fir Dopamin Neuron Stimulatioun an aner natierlech belount Stimulatiounen ze sichen. Schlussendlech, mir weisen datt stabil stabil Héicht mPFC Excitabilitéit corticolimbic BOLD an elektrophysiologesch Aktivitéit synchroniséiert, wat am Viraus anhedonesch Verhalen an eenzel Déieren virauszesoen.

Konklusioun

Eis Resultater aus Experimenter mat lokaler Zellspezifescher Kontroll, gläichzäiteg mat enger globaler onbezuelter Observatioun vun der neuraler Aktivitéit, weisen datt de mPFC eng Top-Down Kontroll iwwer Midbrain dopaminergesch Interaktioune mat dem Striatum ausübt an datt, wann et erhéicht gëtt, Aktivitéit am mPFC natierlech Belounung kann verdrängen -relatéiert Verhalen. Ausserdeem beobachten mer datt cortikal-subkortikale neurale Dynamik am Concert funktionnéiert fir d'Belounungsveraarbechtung ze regléieren. All dës Befindungen hunn Implikatioune fir eist Verständnis vun der natierlecher Belounungsmëttel Physiologie a Verhalen, souwéi d'Pathogenese vun der Anhedonia.

Optogenetesch fMRI gouf benotzt fir lokal breederwäit neurale Aktivitéit am Zesummenhang mat Belounung ze manipuléieren a global ze visualiséieren. Habituéiert Ratten goufen am erwäche Staat gescannt (Top Fotoen). Mir etabléiere datt d'striatal BOLD Aktivitéit duerch optogenetesch Stimulatioun vun Dopamin Neuronen erhéicht gëtt a reduzéiert duerch optogenetesch neural Silencing. Mir demonstréieren datt fokally erhéijen mPFC Excitabilitéit d'Belounssichend Verhalen verdrängt andeems eng Top-Down Kontroll iwwer striatal Dopamin-induzéiert Aktivitéit ausübt an d'Synchronie tëscht spezifesche corticolimbic Circuiten ausübt.