Peraturan kortikal prefrontal dinamik litar otak dan perilaku yang berkaitan dengan ganjaran (2016)

Sains 1 Januari 2016: Vol. 351 no. 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. Brian Patenaude⁶,
10. Charu Ramakrishnan¹,
11. Paul Kalanithi⁷,
12. Amit Etkin⁶,
13. Brian Knutson⁵,
14. Gary H. Glover⁸,
15. Karl Deisseroth¹,⁴,⁹,†

Abstrak

Motivasi untuk ganjaran memacu tingkah laku adaptif, manakala penurunan persepsi dan pengalaman ganjaran (anhedonia) boleh menyumbang kepada penyakit psikiatri, termasuk kemurungan dan skizofrenia. Kami berusaha untuk menguji hipotesis bahawa korteks prefrontal medial (mPFC) mengawal interaksi di antara kawasan subkortikal tertentu yang mentadbir tindak balas hedonik. Dengan menggunakan pengimejan resonans magnet optogenik fungsional untuk memanipulasikan secara tempatan tetapi secara visual menggambarkan aktiviti saraf dalam tikus, kami mendapati bahawa rangsangan neuron dopamin memacu aktiviti striatal, manakala peningkatan keseronokan mPFC tempatan mengurangkan tindak balas striatal ini dan menghalang pemacu tingkah laku untuk rangsangan dopaminergik. Kesan mPFC kronik ini juga dapat menindas tingkah laku ganjaran yang semulajadi dan mendorong interaksi fungsi otak yang baru, yang meramalkan tahap anhedonia dalam individu. Penemuan ini menerangkan satu mekanisme yang mana mPFC memodulasi ungkapan perilaku mencari ganjaran, dengan mengawal selia interaksi dinamik antara kawasan subkortikal yang jauh.

Cara untuk memodulasi mencari ganjaran

Kawasan otak manakah yang terlibat dengan tingkah laku yang berkaitan dengan ganjaran? Ferenczi et al. fokus gabungan, jenis sel khusus, manipulasi optogenetik dengan pencitraan otak, ujian tingkah laku, dan elektrofisiologi vivo (lihat Perspektif oleh Robbins). Rangsangan neuron dopamine tengah meningkat aktiviti di rantau otak yang dipanggil striatum dan dikaitkan dengan pencarian ganjaran merentas haiwan individu. Walau bagaimanapun, keseronokan tinggi di kawasan yang dipanggil korteks prefrontal medial mengurangkan kedua-dua tindak balas striatal kepada rangsangan neuron dopamin dan pemacu tingkah laku untuk merangsang neuroon dopamin. Akhirnya, modulasi kecemerlangan neuron pyramidal cortex prefrontal medan mendorong perubahan dalam segmen litar neural, serta tingkah laku anhedonic yang sepadan. Pemerhatian ini menyerupai pencitraan dan fenotip klinikal yang diperhatikan dalam kemurungan, kecanduan manusia, dan skizofrenia.

PENGENALAN

Pengendalian untuk mencari dan mengalami ganjaran dipelihara di seluruh spesies dan, dalam mamalia, melibatkan interaksi antara sistem dopaminergik subkortikal dan struktur limbik seperti striatum. Kemerosotan proses ini, yang dilihat dalam beberapa keadaan psikiatri, adalah gejala klinikal anhedonia (kehilangan keseronokan). Mekanisme neural yang mendasari anhedonia tidak diketahui tetapi boleh disebabkan oleh interaksi yang tidak normal antara litar ganjaran kortikal dan subkortikal. Kami berusaha untuk menguji hipotesis bahawa kecenderungan korteks prefrontal medial tinggi (mPFC) yang tinggi (ciri klinikal yang dikaitkan dengan anhedonia) menimbulkan kawalan menindas mengenai interaksi antara dua kawasan subkortikal yang jauh: dermatologi dopaminergik dan striatum.

RATIONALE

Kajian pengimejan klinikal telah mengesan aktiviti meningkat di mPFC dalam pesakit manusia dengan kemurungan, dan rawatan dikaitkan dengan normalisasi ini tidak aktif dan peningkatan gejala anhedonic. Di samping itu, kajian manusia telah mengenal pasti bidang otak yang bertindak balas terhadap jangkaan dan pengalaman ganjaran, dan tindak balas ini dapat ditindas dalam penyakit psikiatri. Walau bagaimanapun, sumber isyarat ganjaran ini dan mekanisme yang mendasari modulasinya tidak ditunjukkan secara kausal. Kami telah menggabungkan pelbagai alat optogenetik yang kronik dan akut dengan pencitraan resonans magnetik fungsian (fMRI) untuk menyediakan jambatan antara kesahihan, keistimewaan selular optogenetik tikus dan pemerhatian otak yang mencirikan neuroimaging manusia, dengan tujuan memanipulasi tempatan dan secara global menggambarkan aktiviti saraf untuk memahami peraturan tingkah laku mencari ganjaran.

KEPUTUSAN

Kami memperlihatkan bahawa rangsangan neuron dopamine tengah mendorong kedua-dua aktiviti fMRI yang bergantung pada tahap oksigen darah (BOLD) dan perilaku mencari ganjaran, dan kami menunjukkan bahawa ini berkaitan dengan individu. Kami juga mendapati bahawa pembungkusan neuron dopamine menekan aktiviti di striatum, serta di kawasan otak lain (seperti hipotalamus), dan memacu tingkah laku mengelakkan. Setelah menubuhkan kawalan bidirectional ini untuk tingkah laku mencari ganjaran, kami kemudian diuji untuk gangguan litar ini melalui ketinggian mPFC excitability. Kami memerhatikan penindasan terhadap respon striatal terhadap dopamin, serta pemanduan tingkah laku untuk mencari rangsangan neuron dopamin dan rangsangan ganjaran semula jadi yang lain. Akhir sekali, kami memperlihatkan bahawa keseronokan mPFC yang tinggi dapat diselaraskan aktiviti BOLD dan elektrofisiologi kortikolimbik, yang seterusnya dapat meramalkan perilaku anhedonic dalam haiwan individu.

KESIMPULAN

Penemuan kami dari eksperimen yang melibatkan kawalan sel khusus tempatan, pada masa yang sama dengan pemerhatian yang tidak adil terhadap aktiviti saraf global, mendedahkan bahawa mPFC menumpuk kawalan atas ke atas interaksi dopaminergik pertengahan dengan striatum dan, apabila dinaikkan, aktiviti dalam mPFC dapat menindas hadiah semula jadi - tingkah laku yang berkaitan. Selanjutnya, kita melihat bahawa dinamik saraf cortikal-subkortik bekerja secara konsisten untuk mengawal pemprosesan ganjaran. Semua penemuan ini mempunyai implikasi untuk pemahaman kita tentang fisiologi dan tingkah laku yang berkaitan dengan ganjaran semula jadi, serta patogenesis anhedonia.

FMRI optogenetik digunakan untuk memanipulasikan dan menggambarkan secara global aktiviti saraf otak yang berkaitan dengan ganjaran. Tikus Habituated telah diimbas di negeri terjaga (gambar atas). Kami menegaskan bahawa aktiviti BOLD striatal meningkat oleh rangsangan optogenetik neuron dopamin dan berkurang dengan optogenetic silencing. Kami memperlihatkan bahawa kegembiraan mPFC yang tinggi secara fokal menghalang tingkah laku mencari ganjaran dengan menggunakan kawalan atas ke atas aktiviti yang disebabkan oleh dopamin dan memacu penyegerakan antara rangkaian kortikolimbik tertentu.