(L) Ben je daar, God? Ik ben het, dopamine-neuron (2013)

Ben je daar God het is mij dopamine-neuron

September 30, 2013 · door Talia Lerner

Dopamine neuronen zijn enkele van de meest bestudeerde, meest sensationele neuronen die er zijn. De laatste tijd hebben ze echter een beetje een identiteitscrisis doorgemaakt. Wat is een dopamine-neuron? Enkele interessante recente wendingen in het onderzoek naar dopamine hebben definitief de mythe ontkend dat dopamine-neuronen allemaal van een soort zijn - en je zou onderzoek moeten bevragen dat ze als zodanig behandelt.

Er zijn veel manieren waarop een dopamine-neuron (gedefinieerd als een neuron dat de neurotransmitter dopamine afgeeft) niet alleen een dopamine-neuron is. Ik zal me hier op drie echt coole manieren concentreren:

  1. Niet alle neuronen die dopamine afgeven, maken het tegelijkertijd op dezelfde plaats vrij. Dopamine-neuronen hebben verschillende rollen in hersenfunctie en gedrag afhankelijk van hoe ze zijn aangesloten op neurale circuits.
  2. Niet alle neuronen die dopamine afgeven, geven alleen dopamine af. Sommigen kunnen ook andere neurotransmitters vrijmaken, die ingrijpende gevolgen kunnen hebben voor de manier waarop ze de functie van het neurale circuit beïnvloeden.
  3. Niet alle neuronen die dopamine afgeven, geven altijd dopamine af. Sommige neuronen kunnen hun dopamine-synthesemachinerie in- of uitschakelen. Vanwege dit vermogen zijn ze in eerdere onderzoeken mogelijk niet eens herkend als dopamine-neuronen.

Voordat ik deze opwindende nieuwe bevindingen beschrijf, laat ik u echter de standaard Neuroscience 101 introductie tot dopamineneuronen geven. Deze invloedrijke theorie van dopamine-neuronfunctie komt van Wolfram Schultz en 1997 Science paper van collega's, "Een neuraal substraat van voorspelling en beloning. " Het toonde aan dat dopamine-neuronen, die met een bepaalde achtergrondsnelheid vuren, meer vuren als reactie op onvoorziene, maar niet voorspelde, beloningen. Bovendien, als u een beloning verwacht en het niet begrijpt, vuren de dopamineneuronen minder af. Deze bevinding leidde Schultz et al. om voor te stellen dat dopamine-neuronen coderen voor 'beloningsvoorspellingsfout'. Dat wil zeggen dat ze je vertellen of de dingen zo goed, beter of slechter zijn dan je had verwacht. Schultz et al. ga verder met te stellen: "De reacties van deze neuronen zijn relatief homogeen - verschillende neuronen reageren op dezelfde manier en verschillende appetitieve stimuli wekken vergelijkbare neuronale responsen op. Alle reacties komen voor in de meeste dopamine-neuronen (55 tot 80%). "

De rol van dopamine-neuronen als computers van beloningsvoorspellingsfouten blijft een fascinerende en waardige onderzoekslijn, maar als beloningsvoorspellingsfout ALL is wat dopamine-neuronen doen, wat hebben we dan 400,000-600,000 nodig voor? * Hier is een kaart van waar de dopamineneuronen van de hersenen bevinden zich (in een doorsnede van een knaagdierhersenen):

 

Verdeling van dopamine-neuroncelgroepen A8-A16 in de hersenen van volwassen knaagdieren. Aangepast van Björklund, A. & Dunnett, SB Dopamine neuron systemen in de hersenen: een update. Trends in Neurosciences 30, 194–202 (2007).

*In mensen. Er zijn 160,000-320,000 bij apen en alleen 20,000-45,000 bij knaagdieren.

Als we naar dit diagram kijken, lijken er al enkele grove anatomische verschillen tussen groepen dopamine-neuronen te bestaan, daarom worden ze aangeduid met A8-A16. Er zijn ook fijnere anatomische verschillen, die niet-zo-subtiele functionele implicaties blijken te hebben. In de eerste onderzoekslijn zal ik me hier concentreren, Lammel et al. het onderscheid maken tussen dopamine-neuronen in het ventrale tegmentale gebied (VTA of A10 in het bovenstaande plaatje) door hun connectiviteit met andere hersengebieden.  Lammel et al. waargenomen dat er ten minste twee deelbare populaties van dopamine-neuronen in de VTA zijn. Eén populatie krijgt invoersignalen van een hersengebied dat het laterodorsale tegmentum wordt genoemd en zendt outputsignalen naar een hersengebied dat de nucleus accumbens wordt genoemd (deze LDT-dopamine-NAc-neuronen genoemd). De andere populatie krijgt input van de laterale habenula en stuurt outputs naar de prefrontale cortex (noem deze LHb-dopamine-PFC neuronen). En dan? Is het feit dat deze dopamineneuronen zijn verbonden met verschillende hersencircuits van belang voor gedrag? Lammel et al. heeft aangetoond dat het er toe doet. Tijdens gebruik optogenetics!) activeerden ze de inputs naar LDT-dopamine-NAc neuronen bij muizen, ze vonden dat de dieren een positieve associatie vormden met de context waarin ze werden gestimuleerd. Ze kozen ervoor om meer tijd door te brengen in het deel van een doos waar ze de hersenstimulatie hadden gekregen. In tegenstelling, wanneer Lammel et al. activeerde de ingangen naar LHb-dopamine-PFC neuronen, precies het tegenovergestelde werd waargenomen. Dieren vermeden een deel van een doos waar ze de stimulatie hadden gekregen. In een andere studie door dezelfde groep, toen de muizen van nature iets goeds of iets slechtss ervoeren, werden de sterktes van deze verschillende circuits differentieel gemoduleerd. Muizen die cocaïne kregen, vertoonden een verhoogde sterkte van de LDT-dopamine-NAc-route, maar geen verandering in de LHb-dopamine-PFC-route. Muizen die een irriterend middel op hun poot kregen, vertoonden geen verandering in de LDT-dopamine-NAc-route, maar een verhoogde sterkte van de LHb-dopamine-PFC-route.

Het ondermijnen van de eerste bewering van Schultz et al. Dat dopamine-neuronen homogeen zijn, Lammel et al. ontdekt dat ze dat niet zijn. Deze revisie is waarschijnlijk opgetreden vanwege de toenemende gevoeligheid van de beschikbare tools, die behoorlijk van de 1990s naar de 2010s zijn veranderd. Nieuwere en betere tools, in combinatie met een beetje creativiteit, lieten Lammel en anderen toe. om subtiliteiten te onderscheiden die niet toegankelijk waren voor Schultz et al. Door deze subtiliteiten te onthullen, Lammel et al. hielp om de overmoed te tonen van het geloof dat je een hele klasse neuronen hebt uitgevonden, omdat je antwoorden ziet in 55-80% van een populatie, vooral als je niet helemaal zeker bent (of zou moeten zijn) over de criteria die je heb gebruikt om die populatie te definiëren. (De vraag van het definiëren van dopamine-neuronen tijdens in vivo neurale opnames is een GEHEEL ander probleem). Alle eer in de wereld voor Schultz et al. voor het aansteken van het vuur van dopamineonderzoek, maar het was meer een vertrekpunt dan een eindpunt.

Het groeperen van neuronen door de hersencircuits waarin ze participeren, heeft veel zin als je probeert te achterhalen hoe hersencircuits werken. Maar wat als u probeert het dopaminedeel van dopamine-neuronen te achterhalen? Het meeste onderzoek naar dopamine-neuronen heeft aangenomen dat wanneer een dopamine-neuron vuurt, het de neurotransmitter dopamine vrijmaakt, een klein molecuul dat er als volgt uitziet:

In feite hebben we zo "dopamine-neuron" gedefinieerd. Maar zoals vaak het geval is in de wetenschap, blijkt de situatie niet zo eenvoudig te zijn. In de tweede regel van recent onderzoek dat ik hier zal bespreken, toonden wetenschappers bewijs dat dopamine-neuronen andere neurotransmittermoleculen, samen met dopamine, samen met glutamaat en GABA kunnen afgeven.

Eigenlijk, verschillende subsets van dopamine-neuronen meestal waarschijnlijk co-release ofwel glutamaat of GABA. Studies door Hnasko et al. en Stuber et al. aangetoond dat dopamine-neuronen in de VTA gelijktijdig glutamaat afgeven. Ten eerste merkten ze dat veel VTA dopamine-neuronen een glutamaattransporter tot expressie brengen die VGLUT2 wordt genoemd, een eiwit dat glutamaat verpakt voor afgifte uit neuronen. Betekende de aanwezigheid van VGLUT2 dat dopamine-neuronen naast dopamine ook glutamaat verpakken? Om deze vraag te bekijken, keken de wetenschappers naar de reacties van neuronen in de nucleus accumbens (een plaats waar dopamine-neuronen output naar sturen, zie de bespreking van Lammel et al. Hierboven) naar dopamine-neuronstimulatie. Sterker nog, ze observeerden snelle, exciterende reacties van nucleus accumbens neuronen op stimulatie van VTA dopamine neuronen van een type dat consistent zou zijn met een glutamaterge in plaats van een dopaminerge respons. Deze responsen werden geblokkeerd door antagonisten van glutamaatreceptoren maar niet door antagonisten van dopaminereceptoren. Bovendien werden bij muizen die genetisch gemanipuleerd waren om VGLUT2 in dopamine-neuronen te missen, dergelijke reacties niet waargenomen.

De gezamenlijke afgifte van glutamaat kan echter niet in alle dopamineneuronen voorkomen. Net als in de onderzoeken van Lammel et al. Is connectiviteit van belang. Stuber et al. waargenomen dat dopamine-neuronen in een aangrenzend gebied genaamd substantia nigra (A9), die outputs naar het dorsale striatum stuurt, geen bewijs van glutamaatafgifte vertoonden. Dat negatieve resultaat is nog steeds controversieel. Een andere groep, Tritsch et al., vond enig bewijs van glutamaatafgifte door substantia nigra dopamine neuronen. Bovendien toonden ze aan dat deze substantia nigra dopamine-neuronen ook weer een andere neurotransmitter samenbrengen: GABA. Vreemd genoeg brengen substantia nigra dopamine-neuronen geen VGAT tot expressie, de normale GABA-transporter. In plaats daarvan Tritsch et al. ontdekte dat VMAT, de dopaminetransporter, ook GABA kan co-transporteren, verpakken voor synaptische afgifte samen met dopamine. De bevinding van Tritsch et al. Zou kunnen generaliseren buiten substantia nigra dopamine neuronen. Zolang er wat GABA in de buurt is, kan alles wat VMAT tot expressie brengt mogelijk ook die GABA verpakken en vrijgeven. Een belangrijke vraag die voortkomt uit de studie van Tritsch et al. Is precies waar en wanneer de GABA in de substantia nigra wordt gesynthetiseerd. Toch is het er.

De implicaties van glutamaat en GABA-co-afgifte van dopamine-neuronen zijn voor het grootste deel nog af te wachten. Het enige gemelde gedragseffect is van de Hnasko et al. papier. Ze laten zien dat muizen die VGLUT2 missen in dopamine-neuronen minder rondrennen in reacties op cocaïne dan normale muizen. Dat is het voor nu. Als er niets anders is, laat het zien hoeveel meer we te weten moeten komen over het fenomeen van zender-co-release.

Tot nu toe hebben we gezien dat dopamine-neuronen verschillende dingen kunnen signaleren als ze zijn aangesloten op verschillende hersencircuits en dat ze hun toegewezen rol in een hersencircuit kunnen spelen, tenminste gedeeltelijk met andere chemicaliën dan alleen dopamine. In de derde onderzoekslijn die ik hier zal onderzoeken, zullen we nog een laag toevoegen van echt coole complexiteit aan de foto: dopamine-neuronen kunnen de manier waarop ze aan een hersencircuit deelnemen veranderen door te veranderen of ze wel of niet maken en dopamine helemaal vrijgeven. In dit geval, Dulcis et al. keek naar een iets andere groep dopamine-neuronen van degene waar ik het tot nu toe over had, in de hypothalamus. Ze merkten dat het aantal dopamine-neuronen bij ratten leek te fluctueren met de lengte van het "daglicht" dat de ratten ervoeren. Ik heb daglicht tussen aanhalingstekens geplaatst omdat het niet echt daglicht is - alleen al of niet de lichten branden in een zeer gecontroleerde laboratoriumomgeving. De meeste proefdieren zien 12 uren licht per dag, maar Dulcis et al. probeerde ook gewoon 5 uren per dag of tot 19. Ratten met lange dagen hadden minder dopamine-neuronen in hun hypothalamus, terwijl ratten met korte dagen meer hadden. Na verder onderzoek bepaalden ze dat de veranderingen in het aantal dopamine-neuronen in de verschillende lichtomstandigheden niet te wijten waren aan sterven en geboren worden van neuronen. Dezelfde neuronen waren er eigenlijk in alle omstandigheden, maar ze schakelden hun dopamine -iteit in of uit. Het is nog steeds onduidelijk waarom blootstelling aan licht deze veranderingen veroorzaakt, of wat de precieze gedragsconsequenties zijn. Ratten met lange dagen en minder dopamine-neuronen als resultaat, vertoonden depressief en angstig gedrag (onthoud dat ratten nachtdieren zijn en de voorkeur geven aan het donker). Dat deden ratten waarvan de hypothalamische dopamine-neuronen werden gedood met een toxine. Als de dopamine-neuronen echter met een toxine werden gedood terwijl de ratten 12 uren licht per dag kregen en de ratten slechts 5 uren licht per dag kregen, werden voorheen niet-dopaminerge neuronen gerekruteerd om dopamine vrij te maken en minder depressief en angstig gedrag werd waargenomen. Best wel gaaf! En, belangrijker nog, dit werk laat zien dat neuronen die we niet eens eerder geïdentificeerd zouden hebben als dopamine-neuronen onder de juiste omstandigheden kunnen transformeren. Sommige aspecten van onze hersenen zijn gebouwd om stabiel te zijn, maar velen veranderen voortdurend, waardoor we ons kunnen internaliseren en ons kunnen aanpassen aan onze ervaring.

Na al deze studies, wat hebben we geleerd? Voor mij is het belangrijkste om mee te nemen dat het begrijpen van de hersenen betekent dat je de complexiteit moet waarderen. Om iets specifieker te zijn, betekent dit het koppelen van moleculen en cellen aan circuits en gedrag om definities van biologische entiteiten te verschaffen die modaliteiten van studie overspannen. Nooit meer neuronen groeperen door één neurotransmitter die ze kunnen vrijgeven. Die groepering kan soms nog steeds relevant zijn, maar zoals we in bovenstaande onderzoeken hebben gezien, niet altijd. Als we nadenken over het opnieuw definiëren van de groep die formeel bekend staat als dopamine-neuronen, moeten we ook teruggaan naar de decennia van eerdere literatuur met het perspectief dat achteraf biedt. Het is niet zo dat de gegevens in oudere dopamine-neuronstudies verkeerd zijn, maar conclusies zijn misschien niet helemaal wat we dachten dat ze waren. Dat zou een goede zaak kunnen zijn. Veel geheimzinnige argumenten over precies wat dopamine-neuronen coderen, kunnen uiteindelijk uiteindelijk beslecht worden door te begrijpen dat ze veel verschillende dingen in verschillende contexten doen. Wees niet gealarmeerd: het lijkt misschien verwarrend, maar dit is het heel normale proces van volwassen worden van de wetenschap. Niet alleen is het proces normaal, het is absoluut cruciaal. Wetenschappers moeten onze definities voortdurend in twijfel trekken en herzien om significante conceptuele ontwikkelingen te weerspiegelen.

Definities kunnen verwarrend zijn. Ze kunnen ook nogal saai zijn en ik maak me zorgen dat ze mensen te vaak wegjagen van de wetenschap. Toen ik een beginnend biologiestudent was, bracht ik urenlang uren flashcards door om mezelf te helpen onthouden wat leek op eindeloze definities. Ik zag het als een vervelende maar noodzakelijke initiatie voor de biologenclub. Kort gezegd, hoewel het nogal stonk, zei ik tegen mezelf dat ik de woordenschat moest leren om hogere ordeproblemen met werkende wetenschappers te kunnen bespreken. Wat ik heb leren waarderen naarmate ik verder ben gegaan in mijn carrière is hoe genuanceerd die eens ogenschijnlijk zwart-wit, juiste of verkeerde definities zijn - hoeveel subtiliteit en geschiedenis er in zit. Wetenschappelijke definities, zoals de definitie van een dopamine-neuron, bieden niet alleen een gemeenschappelijke taal; ze structureren de aard van ons onderzoek. We hebben deze structuur nodig om door te gaan met onze experimenten, maar als we dit doen, moeten we ons ook bewust zijn van de manieren waarop deze definities ons kunnen beperken. We vergelijken gedefinieerde groepen met elkaar. We praten over groepsgemiddelden. Dus welke dingen precies in onze groepen zijn opgenomen, kan een dramatische invloed hebben op hoe onze gegevens eruit zien en wat we besluiten dat ze betekenen. Daarom moeten we ons altijd bewust zijn van de vooroordelen die inherent zijn aan onze categorisaties. Misschien zijn definities toch niet zo saai! Discussies over deze kanttekeningen kunnen het intro-cursusmateriaal behoorlijk wat extra opwindend maken, terwijl ze studenten leren denken als echte wetenschappers.

De specifieke kwestie van het definiëren van neuronale celtypen blijkt zelfs redelijk op het juiste moment te zijn. Nog maar een paar weken geleden, de eerste tussentijds rapport uit de BRAIN-initiatiefwerkgroep kwam naar voren (zie ook Astra Bryant's post over het onderwerp). Hierin zijn negen onderzoeksgebieden met hoge prioriteit voor FY 2014 geschetst, waarvan de eerste "het genereren van een telling van celtypen" is. Het rapport erkent de problemen die ik hier bespreek:

Er is nog geen consensus over wat een neuronaal type is, omdat een verscheidenheid aan factoren, waaronder ervaring, connectiviteit en neuromodulatoren, de moleculaire, elektrische en structurele eigenschappen van aanvankelijk vergelijkbare neuronen kunnen diversifiëren. In sommige gevallen zijn er misschien niet eens scherpe grenzen die subtypen van elkaar scheiden. Niettemin is er algemene overeenstemming dat soorten voorlopig kunnen worden gedefinieerd door invariante en in het algemeen intrinsieke eigenschappen, en dat deze classificatie een goed startpunt voor een telling kan zijn. De telling zou dus moeten beginnen met goed beschreven grote klassen van neuronen (bijvoorbeeld exciterende pyramidale neuronen van de cortex) en dan doorgaan naar fijnere categorieën binnen deze classificaties. Deze telling zou worden uitgevoerd met de wetenschap dat deze aanvankelijk onvolledig zal zijn en zal verbeteren ten opzichte van herhalingen.

Het antwoord op de vraag "Wat is een dopamine-neuron?" Is niet helemaal duidelijk, maar een opvallende herkenning van de vraag en de financiering die daarop zou moeten volgen, is een belangrijke eerste stap. Proost daar op.