Science 1. Januar 2016: Vol. 351 Nr. 6268
DOI: 10.1126/science.aac9698
- Emily A. Ferenczi1,2,*,
- Kelly A. Zalocusky1,2,*,
- Conor Liston3,*,
- Logan Grosenick1,2,
- Melissa R. Warden4,
- Debha Amatya1,
- Kiefer Katovich5,
- Hershel Mehta5,
- Brian Patenaude6,
- Charu Ramakrishnan1,
- Paul Kalanithi7,
- Amit Etkin6,
- Brian Knutson5,
- Gary H. Glover8,
- Karl Deisseroth1,4,9,†
mythologesch
Motivatioun fir Belounung dréit adaptivt Verhalen, wärend d'Behënnerung vun der Belounungsperceptioun an der Erfahrung (Anhedonia) zu psychiatresche Krankheeten bäidroe kann, dorënner Depressioun a Schizophrenie. Mir hu probéiert d'Hypothese ze testen datt de mediale prefrontale Cortex (mPFC) Interaktiounen tëscht spezifesche subkortikale Regiounen kontrolléiert déi hedonesch Äntwerte regéieren. Andeems Dir optogenetesch funktionell magnetesch Resonanz Imaging benotzt fir lokal ze manipuléieren awer global neural Aktivitéit bei Ratten ze visualiséieren, hu mir festgestallt datt Dopamin Neuron Stimulatioun d'Striatal Aktivitéit dréit, wärend lokal erhéicht mPFC Excitabilitéit dës striatal Äntwert reduzéiert an d'Verhalensfuert fir dopaminergesch Stimulatioun hemmt. Dës chronesch mPFC Iwweraktivitéit ënnerdréckt och stabil natierlech Belounungsmotivéiert Verhalen an induzéiert spezifesch nei brainwide funktionell Interaktiounen, déi de Grad vun Anhedonie bei Individuen viraussoen. Dës Erkenntnisser beschreiwen e Mechanismus, duerch deen mPFC den Ausdrock vum Belounungssich Verhalen moduléiert, andeems d'dynamesch Interaktiounen tëscht spezifesche fernen subkortesche Regiounen reguléieren.
E Wee fir d'Belounungssich ze moduléieren
Wéi eng Gehirregioune si kausal u Belounungsrelatéierten Verhalen involvéiert? Ferenczi et al. kombinéiert Brennwäit, Zelltyp-spezifesch, optogenetesch Manipulatiounen mat Gehirnbildung, Verhalenstest, an in vivo Elektrophysiologie (kuckt d'Perspektiv vum Robbins). Stimulatioun vu Midbrain Dopamin Neuronen erhéicht d'Aktivitéit an enger Gehirregioun genannt Striatum a war korreléiert mat Belounungssich iwwer eenzel Déieren. Wéi och ëmmer, erhéicht Excitabilitéit vun engem Gebitt genannt de mediale prefrontale Cortex reduzéiert souwuel striatal Äntwerten op d'Stimulatioun vun Dopaminneuronen an d'Verhalensfuerschung fir d'Stimulatioun vun Dopaminneuronen ze sichen. Schlussendlech huet d'Moduléierung vun der Excitabilitéit vu medialen prefrontalen Cortex pyramidalen Neuronen Verännerungen an der neural Circuit Synchronie gefuer, wéi och entspriechend anhedonescht Verhalen. Dës Observatioune ähnelen Imaging a klineschen Phänotypen, déi a mënschlecher Depressioun, Sucht a Schizophrenie observéiert ginn.
dem Wieler
De Fuert fir Belounung ze sichen an z'erliewen ass iwwer Arten konservéiert an, bei Mamendéieren, involvéiert Interaktiounen tëscht subkortikalen dopaminergesche Systemer a limbesche Strukturen wéi de Striatum. Behënnerung vun dësem Prozess, observéiert iwwer eng Rei vu psychiatresche Bedéngungen, ass de klineschen Symptom vun Anhedonia (Verlust vu Genoss). D'neurale Mechanismen, déi d'Anhedonie ënnersträichen, sinn onbekannt awer kënnen aus anormalen Interaktiounen tëscht kortikalen an subkortikalen Belounungskreesser resultéieren. Mir hu probéiert d'Hypothese ze testen datt erhöhte medial prefrontal Cortex (mPFC) Excitabilitéit (eng klinesch Feature verbonne mat Anhedonia) d'Ënnerdréckungskontroll iwwer d'Interaktiounen tëscht zwou fernen subkortikale Regiounen ausübt: den dopaminergesche Midbrain an de Striatum.
RATIONALE
Klinesch Imaging Studien hunn erhéicht Aktivitéit am mPFC bei mënschleche Patienten mat Depressioun festgestallt, an d'Behandlung ass mat der Normaliséierung vun dëser Iwweraktivitéit a Verbesserung vun anhedonesche Symptomer assoziéiert. Zousätzlech hu mënschlech Studien Gebidder vum Gehir identifizéiert, déi op Belounungserwaardung an Erfarung reagéieren, an dës Äntwert kann an der psychiatrescher Krankheet ënnerdréckt ginn. Wéi och ëmmer, d'Quell vun dësem Belounungssignal an d'Mechanismen, déi seng Modulatioun ënnersträichen, goufen net kausal bewisen. Mir hunn eng diverse Set vu chroneschen an akuten optogeneteschen Tools mat funktionnelle Magnéitresonanz Imaging (fMRI) integréiert fir eng Bréck tëscht der kausaler, cellulärer Spezifizitéit vun der Nageroptogenetik an de brainwide Observatiounen ze bidden déi mënschlech Neuroimaging charakteriséieren, mam Zil lokal ze manipuléieren a global ze manipuléieren. Neural Aktivitéit visualiséieren fir d'Reguléierung vum Belounungssich Verhalen ze verstoen.
RESULTATER
Mir weisen datt Stimulatioun vu Midbrain Dopamin Neuronen souwuel striatal fMRI Blutt Sauerstoffniveau-ofhängeg (BOLD) Aktivitéit a Belounungssich Verhalen dréit, a mir weisen datt dës iwwer Individuen korreléiert sinn. Mir fannen zousätzlech datt Silencing vun Dopaminneuronen d'Aktivitéit am Striatum ënnerdréckt, wéi och an anere Gehirregiounen (wéi den Hypothalamus), an d'Vermeidungsverhalen dréit. Nodeems mir dës bidirektional Kontroll vu Belounungssich Verhalen etabléiert hunn, hu mir dunn fir Perturbatioun vun dëser Circuit iwwer Héicht vun der mPFC Excitabilitéit getest. Mir hunn d'Ënnerdréckung vu striatal Äntwerten op Dopamin observéiert, souwéi d'Verhalensfuerschung fir Dopaminneuron Stimulatioun an aner natierlech belounend Reizen ze sichen. Schlussendlech beweise mir datt stabil erhéicht mPFC Excitabilitéit corticolimbesch BOLD an elektrophysiologesch Aktivitéit synchroniséiert, déi am Tour anhedonescht Verhalen an eenzel Déieren viraussoen kann.
Konklusioun
Eis Erkenntnisser aus Experimenter, déi lokal Zellspezifesch Kontroll involvéieren, gläichzäiteg mat der globaler onparteiescher Observatioun vun der neuraler Aktivitéit, verroden datt de mPFC Top-Down Kontroll iwwer Midbrain dopaminergesch Interaktioune mam Striatum ausübt an datt, wann eropgeet, Aktivitéit am mPFC kann natierlech Belounung ënnerdrécken. -Zesummenhang Verhalen. Ausserdeem beobachte mir datt d'kortikal-subkortikal neural Dynamik am Konzert funktionnéiert fir d'Belounungsveraarbechtung ze reguléieren. All dës Erkenntnisser hunn Implikatioune fir eist Verständnis vun der natierlecher Belounungsbezunnen Physiologie a Verhalen, souwéi d'Pathogenese vun Anhedonia.
Optogenetesch fMRI gouf benotzt fir lokal ze manipuléieren a global ze visualiséieren brainwide neural Aktivitéit am Zesummenhang mat der Belounung. Gewunnecht Ratten goufen am erwächt Staat gescannt (Top Fotoen). Mir feststellen datt striatal BOLD Aktivitéit erhéicht gëtt duerch optogenetesch Stimulatioun vun Dopaminneuronen a reduzéiert duerch optogenetesch neural Silencing. Mir weisen datt fokal erhéicht mPFC Reizbarkeet d'Belounungssich Verhalen ënnerdréckt andeems se Top-down Kontroll iwwer striatal Dopamin-induzéiert Aktivitéit ausüben an d'Synchroniséierung tëscht spezifesche corticolimbesche Circuiten dréit.
;