Конвергентные Обработка положительных и отрицательных Мотивационные сигналы на ВТУ Допамин нейронных популяций (2011)

КОММЕНТАРИИ: Это исследование показывает, что схема вознаграждения и нервные клетки, производящие дофамин, реагируют на страх. Та же схема, которая заставляет нас с помощью дофамина преследовать наши цели, такие как оргазм, также активируется страхом. Вот почему мы «как» страшные вещи - американские горки, банджи-джампинг, фильмы ужасов и т.д. Интересно, если страх или беспокойство производство порнографии увеличивает количество дофамина высвобождается. Это имело бы смысл, потому что многие пользователи переходят в порно жанров, которые вызывают беспокойство и страх. Если порно пользователь больше не получает достаточное количество дофамина из текущего жанра, он может искать порно, который будет вызывать беспокойство и страх, чтобы получить большой затруднительный допамин. Адреналин и норадреналин также стимулируют схему вознаграждения, как описано в других статьях этого раздела.

Полное исследование: конвергентная обработка как положительных, так и отрицательных мотивирующих сигналов со стороны VTA допаминовых нейронов

Wang DV, Tsien JZ, 2011 PLOS ONE 6 (2): e17047. DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047

Абстрактные

Дофаминовые нейроны в брюшной тегментальной области (VTA) традиционно изучались для их роли в мотивации, связанной с вознаграждением или наркоманией. Здесь мы изучаем, как популяция дофаминовых нейронов VTA может обрабатывать страшные и негативные переживания, а также награждать информацию у свободно действующих мышей. Используя многотетродную запись, мы обнаруживаем, что до 89% предполагаемых дофаминовых нейронов в VTA проявляют значительную активацию в ответ на условный тон, который прогнозирует награду за питание, в то время как та же популяция дофаминовых нейронов также реагирует на страшные переживания, такие как свободные события падения и тряски. Большинство из этих предполагаемых дофаминовых нейронов VTA проявляют подавление и возбуждение с компенсацией смещения, тогда как ~ 25% зарегистрированных предполагаемых дофаминовых нейронов показывают возбуждение страшными событиями. Важно отметить, что предполагаемые дофаминовые нейроны VTA обладают параметрическими свойствами кодирования: длительность их обжига пропорциональна длительности страшных событий. Кроме того, мы демонстрируем, что контекстная информация имеет решающее значение для этих нейронов, чтобы соответственно вызывать положительные или отрицательные мотивационные ответы тем же условным тоном. В совокупности наши результаты показывают, что нейроны дофамина VTA могут использовать стратегию конвергентного кодирования для обработки как положительного, так и отрицательного опыта, тесно интегрируясь с сигналами и экологическим контекстом.

цифры

123

Образец цитирования: Wang DV, Tsien JZ (2011) Конвергентная обработка как положительных, так и отрицательных мотивирующих сигналов со стороны VTA допамин-нейронов. PLOS ONE 6 (2): e17047. DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047

Редактор: Хирому Танимото, Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Германия

Получено: Ноябрь 9, 2010; Принято: Январь 19, 2011; Опубликовано: 15 февраля 2011

Авторское право: © 2011 Wang, Tsien. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинал автора и источник зачисляются.

Финансирование: Эта работа была поддержана фондами NIMH (MH060236), NIA (AG024022, AG034663 & AG025918), USAMRA00002 и Georgia Research Alliance (все принадлежит JZT). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что не существует никаких конкурирующих интересов.

Введение

Дофаминовые нейроны в брюшной тегментальной области (VTA) традиционно изучались для их роли в мотивации, связанной с вознаграждением или наркоманией [1]–[3], Тем не менее, VTA-дофаминовые нейроны также считаются важными для негативной мотивации [1]–[4], В литературе роль дофаминового нейрона в положительной мотивации была хорошо установлена и подтверждена многими исследованиями, показывающими, что вознаграждение (например, питание, сок) и сигналы вознаграждения (условные раздражители) вызывают кратковременную задержку (50-110 мс) и кратковременной (~ 200 мс) взрывной активности дофаминового нейрона [5]–[9]. Реакция этих дофаминовых нейронов, по-видимому, кодирует широкий спектр новых событий и событий, связанных с вознаграждением, с помощью правила ошибки прогнозирования. [5]–[9], Было также показано, что активность допамина VTA играет важную роль в наркомании: почти все привыкание к наркотикам увеличивает уровень синаптического дофамина в ядре accumbens, который получает обширные дофаминергические входы из области VTA [10]–[12].

Также была отмечена роль нейрона VTA допамина в негативной мотивации. В ряде исследований было обнаружено, что отвратительные события (например, пероральная инфузия хинина или LiCl) или отрицательные состояния (например, вывод лекарственного средства) могут изменять концентрации дофамина в областях мозга, иннервированных VTA-дофаминовыми нейронами [13]–[15], Кроме того, нарушение передачи дофамина в структурах, расположенных ниже по течению VTA, приводит к ухудшению кондиционирования к аверсивным или страшным переживаниям [16], [17], Более того, уровни допамина могут проявлять противоположные функции в усилении поведения: низкий уровень допамина в ядре accumbens, как полагают, улучшает наказание, но ухудшает обучение на основе вознаграждения, в то время как более высокий уровень допамина улучшает вознаграждение, но снижает качество обучения на основе наказания [18], Эти вышеприведенные исследования настоятельно свидетельствуют о том, что нейроны дофамина VTA также играют важную роль в обработке негативных мотивационных сигналов. Однако точная роль нейрона VTA допамина в негативной мотивации не совсем ясна.

С другой стороны, в недавних исследованиях установлено, что допамин-нейроны в компактинах субстанциальных нигр (SNc) могут реагировать как на награду (например, на сок), так и на отвратительные стимулы (например, воздушную затяжку) и две популяции нейронов допамина SNc могут отчетливо переносить положительные и отрицательные мотивационные сигналы [9], [19], Однако были высказаны опасения относительно того, действительно ли воздушная затяжка кожи или условный сигнал, предсказывающий возникновение воздушной затяжки, поистине отвратительна для обезьян, если такие виды деятельности считаются вредными [9], Кроме того, известно, что SNC-дофаминовые нейроны обрабатывают различные аспекты информации и с четкой входной и нейронной цепью в отношении VTA [5], Таким образом, существует большой интерес к исследованию того, как и как VOH-дофаминовые нейроны обрабатывают негативные переживания, и существуют ли отдельные группы нейронов допамина, посвящающие себя обработке положительной и отрицательной информации.

Чтобы решить эти важные вопросы, мы использовали внеклеточную запись мультитетронов у свободнодействующих мышей и использовали два типа надежных страшных событий (свободное падение и тряска) [20] как способ изучения роли нейронов VTA в обработке негативных мотивационных сигналов. Мы также тренировали мышей, чтобы соединить нейтральный тон с последующей доставкой пищи, что позволило нам исследовать, как одна и та же популяция нейронов VTA-дофамина может обрабатывать положительные сигналы движения. Более того, поскольку контекстная информация является такой неотъемлемой частью многих общих опытов, мы спросили, могут ли и как экологические контексты могут играть роль в дискриминирующей награде или аверсивной информации. В связи с этим мы также провели ряд экспериментов, в ходе которых мы обучали мышей, чтобы они сочетали один тон как с наградой за еду, так и от страшного события, но в разных контекстах, что позволило нам определить, каким образом обусловленные VTA дофаминовые нейронные реакции были подвержены влиянию экологический контекст. Наши результаты показывают, что нейроны дофамина VTA могут использовать стратегию конвергентного кодирования для обработки как положительного, так и отрицательного опыта.

Итоги

Классификация предполагаемых дофаминовых нейронов

Мы имплантировали подвижные пучки из 8 тетродов (32 канала) в ВТА правого полушария мышей, и положение регистрирующих электродов было подтверждено гистологией в конце нашего эксперимента (Рисунок 1A). В настоящее время анализируются данные от мышей 24, из которых мы записали предполагаемые дофаминовые нейроны. Из этих 210-мышей было записано всего блоков 24 с четкими всплесками (для примеров хорошо изолированных единиц см. Рисунок S1). Из них единицы 96 были классифицированы как предполагаемые дофаминовые нейроны на основе их моделей обжига (см. Материалы и методы), а остальные единицы 114 были классифицированы как не допаминовые нейроны. Классифицированные предполагаемые дофаминовые нейроны обычно проявляли широкие, трехфазные потенциалы действия (Рисунок 1B, красный), хотя с изменением, в то время как нейроны до допамина проявляют более узкие трехфазные или бифазные потенциалы действия (Рисунок 1B, синий и черный соответственно). Важно отметить, что только нейроны с низкой базой скорости стрельбы (0.5-10 Гц; Рисунок 1C), относительно длинный интервал между спайками (> 4 мс) и регулярный режим возбуждения были классифицированы как предполагаемые дофаминовые нейроны. Напротив, классифицированные нейроны, не содержащие дофамина, обычно показывают более высокую исходную частоту возбуждения (> 10 Гц; Рисунок 1C) и / или значительная модуляция в скорости стрельбы во время движения, относительно тихой бодрствования [21]–[23].

Скачать:

Рисунок 1. Запись мути-тетрода и классификация нейронов VTA.

(A) Трасса электродов, показанная на примере коронального отдела мозга (вверху справа) и расположения наконечников электродов (от мышей 21) на диаграммах секций атласа [52], Синие квадраты представляют собой местоположения, в которых записаны предполагаемые DA нейроны типа 1 / 2; красные квадраты представляют собой места, где регистрировались нейроны типа 3; фиолетовые квадраты представляют собой места, где были зарегистрированы как нейроны типа 1 / 2, так и типа 3 (см. Рисунок 2 для классификации трех типов предполагаемых DA нейронов). (B) Примеры типично записанных всплесков сигналов для предполагаемых DA (красных) и Non-DA (синих и черных) нейронов. Половину ширины AP измеряли от желоба до следующего пика потенциала действия. (C) Исходные скорости стрельбы и половину ширины AP классифицированных DA (красных) и Non-DA (черных) нейронов. DA, допамин; Non-DA, не допамин; AP, потенциал действия.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g001

Три типа чувствительных к страху VTA предполагаемых дофаминовых нейронов

Мы использовали два типа серьезных страшных событий (свободное падение и тряску) для изучения того, как нейроны VTA могут реагировать на негативные переживания [20], После того, как мыши оправились от операций, и были достигнуты стабильные записи (обычно 1 ~ 2 недель после операции), мы начали эксперименты. Каждая мышь помещалась в камеру свободного падения или в камеру для встряхивания, где каждые 20 испытания событий свободного падения или встряски давали каждую сессию с интервалом 1-2 min между испытаниями (Рисунок 2A). Интервал между сеансами обычно составляет 1-2 часов. Мы всегда следили за стабильностью регистрируемых единиц, изучая формы формы всплеска, исходный уровень обжига и распределения скоплений кластеров до и после событий, а также во всех экспериментах. Мы оценили, что во время двух страшных событий не было временной потери единиц, изучая одновременно зарегистрированные единицы (например, две единицы, записанные из той же тетроды, показывающие противоположные изменения обжига) (Рисунок S2). Мы также гарантировали, что искусственные электрические или механические шумы не включались в записанные данные, оценивая формы сигнала непосредственно перед, во время и после страшных событий (Рисунок S3). В целом, эти предполагаемые дофаминовые нейроны (n = 96) были в основном разделены на три основных типа, основанные на их свойствах ответа на два страшных события: type-1 (59%, 57 / 96), тип-2 (13%, 12 / 96) и type-3 (25%, 24 / 96).

Скачать:

Рисунок 2. Три типа VTA предполагаемых дофаминовых (DA) нейронов.

(переменный ток) Растровые события peri-событий (1-20, сверху вниз) и гистограммы трех примеров предполагаемых дофаминовых нейронов VTA (A: type-1, B: type-2 и C: type-3) в ответ на свободные падение (левые панели), тряска (средние панели) и условный тон, который надежно предсказал доставку сахарного гранулы (правые панели). (D) Процентное соотношение различных типов предполагаемых нейронов DA. (E, F) Процентная доля подавленных от страха (E: type-1 и 2) и страх-возбужденных (F: type-3) предполагаемых DA нейронов, которые были значительно активированы условным тоном, который надежно предсказал доставку сахарного гранулы. Свободное падение, высота 30 см; Shake, 0.2 сек; Тон, 5 кГц, 1 сек.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g002

Тип-1 VTA предполагаемые дофаминовые нейроны показали не только значительное подавление их обжига в ответах как на события свободного падения, так и на встряхивание (Рисунок 2A, левая и средняя панели) (P<0.05, знаковый ранговый тест Уилкоксона), но также сильное возбуждение смещения-отскока в конце обоих соревнований. Мы определили возбуждение отскока как пиковую частоту смещения (сглаженную гауссовым фильтром) как минимум в два раза выше, чем базовую частоту срабатывания, и с z-оценкой больше 2. Такое возбуждение отскоком может сигнализировать о безопасности в конце страшные события или мотивация такими событиями. Затем мы спросили, реагируют ли эти дофаминовые нейроны 1 типа на сигналы вознаграждения. Путем многократного сочетания нейтрального тона с последующей доставкой сахарной гранулы мы обнаружили, что эти нейроны также значительно увеличили свою активность до условного тона, который надежно предсказывал вознаграждение (Рисунок 2A, правая панель). Таким образом, эти нейроны дофамина типа 1 реагировали как на положительные, так и на отрицательные сигналы.

Тип-2 VTA предполагаемые дофаминовые нейроны показали значительное подавление (P<0.05, знаковый ранговый тест Вилкоксона) во время свободного падения или тряски, но у них не было активации отскока после прекращения этих событий (z-баллы <2) (Рисунок 2B, левая и средняя панели). Подобно предполагаемым дофаминовым нейронам типа 1, эти нейроны типа 2 значительно увеличили их стрельбу до условного тона, который надежно предсказал награду (Рисунок 2B, правая панель). Таким образом, у дофаминовых нейронов типа 1 и типа 2 проявляются двунаправленная модуляция отрицательными и положительными событиями, то есть они уменьшают их стрельбу до страшных событий, увеличивая их стрельбу до сигналов вознаграждения.

Интригующе, мы также записывали третий тип допаминергических нейронов, которые имели большее сходство с предполагаемыми дофаминовыми нейронами типа 1 / 2, а не с нейронами допамина. Эти нейроны типа 3 (около 25% всех зарегистрированных предполагаемых дофаминовых нейронов) увеличили их стрельбу до случаев свободного падения и встряхивания (Рисунок 2C, левая и средняя панели) (P<0.05, знаковый ранговый критерий Вилкоксона). Их усиленная стрельба обычно сопровождалась подавлением смещения. Более того, эти дофаминовые нейроны 3-го типа также могут усиливать свою активность в ответ на условный тон, предсказывающий вознаграждение (Рисунок 2C, правая панель). Эти нейроны типа 3, которые увеличили их обжига до как положительных, так и отрицательных событий, сильно отличаются от нейронов дофамина типа 1 и типа 2. Это сильно указывает на разнообразие популяции нейронов допамина VTA [24], [25].

В целом, нейроны типа 1 и типа 2 составляют большинство (72%) зарегистрированных VTA предполагаемых дофаминовых нейронов, тогда как нейроны типа 3 составляют около 25%, а остальные предполагаемые дофаминовые нейроны (3%) не реагируют на страшные события (Рисунок 2D). Более того, наш анализ показывает, что реакции всех этих нейронов на негативные события имеют тенденцию быть направленно однородными (45 нейронов протестированы как на события свободного падения, так и на события дрожания), то есть нейроны, подавленные (или активированные) событием свободного падения, всегда были подавляется (или активируется) другими пугающими событиями, такими как событие сотрясения, и наоборот. Из подавленных страхом дофаминовых нейронов (типа 1 и типа 2), которые мы исследовали на предмет их реакции на сигналы вознаграждения, 96% из них (44/46) показали значительную активацию тоном поощрения (Рисунок 2E) (P<0.05, знаковый ранговый критерий Вилкоксона). Это ясно показывает, что подавляющее большинство дофаминовых нейронов VTA типов 1 и 2 способны двунаправленно реагировать как на положительные, так и на отрицательные события, то есть они демонстрируют возбуждение посредством информации о вознаграждении при подавлении пугающими переживаниями. С другой стороны, около 71% предполагаемых дофаминовых нейронов типа 3 (12/17), которые были активированы пугающими событиями, также могут быть активированы сигналами вознаграждения (Рисунок 2F) (P<0.05, знаковый ранговый критерий Вилкоксона). Это убедительно свидетельствует о том, что страшные события, а не только награда, могут возбуждать некоторые из предполагаемых дофаминовых нейронов VTA.

Модели обжига и характеристики фармакологии

Несмотря на их сходство в схеме стрельбы и всплесках трех типов предполагаемых дофаминовых нейронов (например, Рисунок 3A-C), мы заметили некоторые различия между ними. Во-первых, нейроны типа-3 дофаминергического типа проявляли значительно меньшую вероятность (9 ± 2.3%, среднее ± sem) всплеска по сравнению с предполагаемым дофамином типа 1 (55.2 ± 2.5%) или типа 2 (32.0 ± 3.8%) нейроны (Рисунок 3D и E). Во-вторых, нейроны типа 3 показали значительно более низкую базовую скорость стрельбы (2.15 ± 0.33 Гц, среднее ± sem; n = 24) по сравнению с типом-1 (5.66 ± 0.27 Гц; n = 57) или type-2 (4.92 ± 0.49 Гц; n = 12) нейроны (Рисунок 3F).

Скачать:

Рисунок 3. Модели обжига и характеристики фармакологии.

(А-С) Три примера замещенных тетродом предполагаемых дофаминовых нейронов (тип-1, тип-2 и тип-3) и их репрезентативные всплески. PC1 и PC2 представляют собой первый и второй основные компоненты в анализе основных компонентов, соответственно. Синие точки представляют собой отдельные пики для изолированных нейронов допамина; черные точки указывают отдельные всплески для других несортированных нейронов VTA. (D) Интерспецифические интервалы трех примеров предполагаемых дофаминовых нейронов (тип-1, тип-2 и тип-3). (E) Процентная доля импульсного обжига для трех типов предполагаемых дофаминовых нейронов. Строки ошибок, sem; ***P<0.001, студенческий t-тестовое задание. (F) Исходные уровни возбуждения трех типов предполагаемых дофаминовых нейронов. Строки ошибок, sem; ***P<0.001, студенческий t-тестовое задание. (G) Кумулятивная спайковая активность ваших примеров предполагаемых дофаминовых нейронов (тип-1, тип-2 и тип-3) в ответ на агонист агониста рецептора допамина. Было отмечено, что предполагаемые дофаминовые нейроны типа 1 и типа 3 регистрировались одновременно из одного тетрода. (H и I) Исходные и послеоперационные уровни горения предполагаемых дофаминовых (Н) и недопаминовых (I) нейронов. Мышам вводили агонист агониста дофаминового рецептора (1 мг / кг, ip), и скорость обжига составляла в среднем 30 мин до и 30 мин после инъекции апоморфина.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g003

Мы также вводили мышам агонисты дофаминовых рецепторов апоморфина (1 мг / кг, ip) и / или квинпирола (1 мг / кг, ip), которые в основном показали ингибирование активности дофаминового нейрона [6], [8], [24], [25], В общей сложности 77 VTA нейронов (включая 33 классифицированных предполагаемых дофаминовых нейронов и нейрунов не допаминов 44) тестировали с агонистами дофаминовых рецепторов. Наши фармакологические результаты показали, что подавляющее большинство (96%; 23 / 24) предположительных дофаминовых нейронов типа 1 и типа 2 были значительно подавлены, в то время как неожиданно нейроны типа 3 (n = 9) в противном случае показали возбуждение апоморфином (Рисунок 3H). Кроме того, 4 классифицировали предполагаемые дофаминовые нейроны, были испытаны как с апоморфином, так и с квинпиролом (в разные дни). Эти предполагаемые дофаминовые нейроны 4 проявили сходные ответы на апоморфин и квинпирол: нейроны (n = 2), подавленные апоморфином, также были подавлены с помощью квинпирола; нейроны (n = 2), активированные апоморфином, также активировались с помощью квинпирола. Напротив, не-допаминовые нейроны VTA (n = 44) показали очень ограниченные или отсутствующие изменения скорости обжига после инъекции апоморфина или квинпирола (Рисунок 3I).

Ответы предполагаемых дофаминовых нейронов VTA на разные длительности и интенсивности страшных событий

Для дальнейшего понимания свойств кодирования нейронов допамина VTA для страшных событий мы провели ряд параметрических экспериментов. Разные высоты свободного падения (10 и 30 см) и разные длительности тряски (0.2, 0.5 и 1 сек) выполнялись в случайных порядках во время экспериментов по записи. Мы обнаружили, что нейроны дофамина VTA демонстрировали изменения временной динамической активности, которые были пропорциональны продолжительности страшных событий. Как показано в Рисунок 4A, предполагаемые дофаминовые нейроны типа 1 проявляли зависящее от времени подавление во время событий свободного падения (10 cm против 30 см в высоту). Анализ популяции показал, что в ответ на события свободного падения 10 и 30 см (Рисунок 4B), средние задержки задержки возбуждения (латентность скорости сглаживания смещенного пикового смещения) предположительных дофаминовых нейронов типа 1 составляли 293 ± 38 мс (среднее ± sd, n = 15) и 398 ± 28 ms (n = 20) соответственно (P<0.001, студенческий t-тестовое задание). Эти результаты свидетельствуют о том, что ответы предполагаемых дофаминовых нейронов типа 1 коррелируют с продолжительностью страшных событий (Рисунок 4B, правая панель). Было отмечено, что интенсивность стрельбы смещения была немного выше во время события свободного падения 30 см (30.9 ± 6.6 Гц, среднее ± sd) по сравнению с событием 10 см (26.3 ± 5.9 Гц) (P = 0.04, Студенческий t-тест), что говорит о том, что реакции нейронов допамина типа 1 VTA на отрицательные могут также отражать, в меньшей степени, интенсивность событий свободного падения.

Скачать:

Рисунок 4. Ответы предполагаемых дофаминовых нейронов VTA типа 1 на разные длительности и интенсивности страшных событий.

(A) Растровые события peri-событий (испытания 1-20) и гистограммы одного типа нейронов типа 1 в ответ на события свободного падения 10 см (слева) и 30 см (справа). (B) Сглаженные статистические гистограммы (слева) и смещенные задержки возбуждения (справа) нейронов типа 1 в ответ на 10 см (синяя линия, n = 15) и 30 см (красная линия; n = 20) события свободного падения , (C) Растровые события и гистограммы другого типа - нейрон 1 в ответ на события сотрясения 0.5 сек (слева) и 1 сек (справа). (D) Сглаженные средние гистограммы промежуточных событий (слева) и латентные задержки возбуждения (справа) нейронов типа 1 в ответ на 0.2 сек (зеленая линия, n = 13), 0.5 сек (синяя линия, n = 20) и 1 сек (красная линия, n = 14). (E) Персистентные растры и гистограммы другого типа-1-нейрона в ответ на низко- (левые) и высокоинтенсивные (правые) дрожания. (F) Сглаженные популяционные средние гистограммы гистограммы (слева) и смещения возбуждения (справа) нейронов типа 1 в ответ на низкую (синяя линия, n = 9) и высокая интенсивность (красная линия, n = 9) встряхивать события. Ошибки, sd; *P<0.05, ***P^-8, Ученики t-тестовое задание.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g004

Аналогично, эти нейроны типа 1 показали зависящие от времени свойства ответа на события сотрясения (Рисунок 4C и D). Средние задержки задержки смещения составляли 374 ± 25 ms (среднее ± sd, n = 13), 672 ± 52 ms (n = 20) и 1169 ± 35 ms (n = 14) для событий сотрясения, которые продолжались для 0.2, 0.5 и 1 сек соответственно (P<0.001, односторонний дисперсионный анализ). Последующий студент t- тесты показали очень существенные различия для каждого сравнения (Рисунок 4D, правая панель). Однако не было существенных различий в скорости смещения пиковых скоростей при разных длительностях событий сотрясения (P> 0.05; односторонний дисперсионный анализ). Мы также варьировали интенсивность сотрясения: нейроны 1-го типа демонстрировали немного более высокий пик возбуждения смещения при высокоинтенсивных сотрясениях по сравнению с низкоинтенсивным (Рисунок 4E и F; 29.1 ± 7.7 против 23.5 ± 9.5 Гц, среднее ± sd). Эти выше результаты показывают, что ответы предполагаемых дофаминовых нейронов VTA типа 1 коррелируют с продолжительностью страшных событий и в меньшей степени интенсивностью страшных событий.

Кроме того, длительность возбуждения типа дофаминергических нейронов типа 3 также коррелировала с продолжительностью страшных событий. В ответ на события свободного падения 10 и 30 см (Рисунок 5A и B), длительности возбуждения составляли 251 ± 29 ms (среднее ± sd, n = 8) и 345 ± 33 ms (n = 10) соответственно (P<0.001, студенческий t-тестовое задание). В ответ на события 0.2, 0.5 и 1 sec shake (Рисунок 5C и D), длительности возбуждения нейронов типа 3 составляли 294 ± 53 ms (n = 10), 573 ± 80 ms (n = 9) и 1091 ± 23 ms (n = 7) соответственно (P<0.001, односторонний дисперсионный анализ). Последующий студент t-test показал существенные различия для каждого сравнения (Рисунок 5D, правая панель). В ответ на разную интенсивность событий встряхивания нейроны типа 3 проявляли более высокий пик возбуждения по событиям высокой интенсивности встряхивания по сравнению с низкоинтенсивным (Рисунок 5E и F; 24.2 ± 4.6 против 15.5 ± 1.3 Гц, среднее ± sd).

Скачать:

Рисунок 5. Ответы VTA типа 3 допамингикоподобных нейронов на разные длительности и интенсивности страшных событий.

(A) Растровые события peri-событий (испытания 1-20) и гистограммы одного типа нейронов типа 3 в ответ на события свободного падения 10 см (слева) и 30 см (справа). (B) Сглаженные статистические гистограммы (слева) и смещенные задержки возбуждения (справа) нейронов типа 3 в ответ на 10 см (синяя линия, n = 8) и 30 см (красная линия; n = 10) события свободного падения , (C) Рэйстер-события и гистограммы одного и того же нейрона (как показано в A) в ответ на события 0.5 сек (слева) и 1 сек (справа). (D) Сглаженные средние гистограммы промежуточных событий (слева) и латентные задержки возбуждения (справа) нейронов типа 3 в ответ на 0.2 сек (зеленая линия, n = 10), 0.5 сек (синяя линия, n = 9) и 1 сек (красная линия, n = 7). (E) Персистентные растры и гистограммы другого типа-3-нейрона в ответ на низко- (левые) и высокоинтенсивные (правые) дрожания. (F) Сглаженные популяционные средние гистограммы гистограммы (слева) и смещения возбуждения (справа) нейронов типа 3 в ответ на низкую (синяя линия, n = 5) и высокая интенсивность (красная линия, n = 5) встряхивать события. Ошибки, sd; *P<0.05, ***P^-5, Ученики t-тестовое задание.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g005

Вместе эти результаты свидетельствуют о том, что временные динамические изменения при стрельбе предположительных дофаминовых нейронов VTA хорошо коррелировали со продолжительностью стимулов страшных событий, с подавленным обжигом для нейронов типа 1 и типа 2 и увеличенной стрельбой для нейронов типа 3. Их изменения обжига могут также коррелировать со интенсивностями интенсивностей страшных событий, но в гораздо меньшей степени.

Интегральное кодирование событий и контекстов

Мозг обычно обрабатывает эпизодический опыт в контексте окружающей среды, и это также относится к привыканию к привыканию. Предполагается, что контекстуальная информация важна для реагирования нейронов допамина, чтобы вознаграждать предсказание сигналов [26], Мы спросили, влияет ли экологический контекст на кодирование негативных событий и, что более важно, на то, как нейроны дофамина VTA будут реагировать на одну и ту же обусловленную реплику, но связаны с различными контекстами, которые предсказывают противоположный результат (например, вознаграждение против аверсивных стимулов) ,

Таким образом, мы провели еще один ряд экспериментов, в которых мышей подвергали двунаправленному кондиционированию (как вознаграждение, так и отвращение). Мы использовали один нейтральный тон в качестве условного раздражителя (CS) для сопряжения с различными безусловными стимулами (США, либо сахарной пеллеткой, либо свободным падением) в разных средах (Рисунок 6A). Мы подвергли мышей павловскому кондиционированию в течение одной недели, в течение которых мыши получили ~ 200 CS / US пары для компенсации и отвратительного кондиционирования (см. Материалы и методы). После тренировки мыши быстро приближались к контейнеру с сахарным гранулом, обычно в 3-10 сек (в среднем 4.3 сек) после начала условного тона, но без видимого приближения к контрольной тарелке, которая не принимала сахарные гранулы, что указывает на эффективность и специфичность ассоциативного обучения вознаграждения (Рисунок 6B, левая панель). С другой стороны, в ответ на условный тон, который предсказывал событие свободного падения в камере свободного падения, мыши наблюдали значительное увеличение обратного движения при прослушивании условного тона (Рисунок 6B, правая панель), что может отражать избегающее или защитное поведение животного. [27], Высокие страх / тревожные реакции у этих мышей также были очевидны из-за повышенной дефекации и мочеиспускания в камере свободного падения по сравнению с наградами или нейтральными камерами (Рисунок 6C).

Скачать:

Рисунок 6. Двунаправленное кодирование положительных и отрицательных сигналов через один и тот же условный тон в разных контекстах.

(A) Схема экспериментальной парадигмы для двунаправленного кондиционирования. Один тон (5 кГц, 1 сек) использовался повсюду: он предсказал доставку сахарного гранулята в наградную камеру (сверху); он предсказал случай свободного падения в камере свободного падения (середина); и он ничего не предсказывал в нейтральной камере (внизу). (B) Влево, задержка приема блюд после начала условного тона, который предсказывал доставку сахара. Правильно, у мышей наблюдалось значительное увеличение обратного движения после появления условного тона, который предсказывал событие свободного падения. (C) Поведение, подобное авразии (частая дефекация и мочеиспускание), вызванное в палате свободного падения по сравнению с наградной или нейтральной камерой. Строки ошибок, sem; n = 10; *P<0.05 **P<0.01, ***P<0.001, студенческий t-тестовое задание. (D, E) Растровые события peri-событий (испытания 1-20) и гистограммы двух примеров предполагаемых дофаминовых нейронов VTA в ответ на тот же условный тон, который предсказывал доставку сахарного гранулята (слева), который предсказывал событие свободного падения (среднее), и это не предсказывать что угодно (справа), с интервалом 1-2 h между сеансами. (F) Сглаженные популяционные средние гистограммы пери-событий подавленных страхами (тип-1 и 2) предполагаемых дофаминовых нейронов в ответ на тот же условный тон, который предсказывал сахарную таблетку (левая панель, n = 16), которая предсказывала событие свободного падения (средняя панель те же 16 нейроны, как показано на левой панели), и это ничего не предсказывало (правая панель; n = 10). Свободное падение, высота 30 см.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g006

Записи активности нейронов у этих условных мышей (после 1-недельного обучения) показали, что предполагаемые дофаминовые нейроны VTA значительно отреагировали условному тону, который предсказывал сахарную таблетку в камере вознаграждения (Рисунок 6D, левая панель). Интересно, что те же VTA-нейроны также надежно реагировали на тот же условный тон, когда он предсказывал свободное падение в камере свободного падения (Рисунок 6D, средняя панель). Когда тот же условный тон доставлялся мышам в нейтральной камере, не связанным ни с каким событием, он не вызывал значительных изменений в стрельбе (Рисунок 6D, правая панель).

В общей сложности мы зарегистрировали 16 с подавлением страха (тип-1 и тип-2) дофаминовых нейронов у мышей, которые были подвергнуты двунаправленному протоколу кондиционирования. Все эти нейроны продемонстрировали значительное увеличение скорости стрельбы после начала условного тонуса, достоверно предсказавшего сахарную таблетку (Рисунок 6D-F, левые панели) (P<0.001, знаковый ранговый критерий Вилкоксона). В ответ на тот же тон, который предсказывал событие свободного падения, половина нейронов (8/16) показала значительное снижение частоты возбуждения (Рисунок 6D, средняя панель) (P<0.05, знаковый ранговый тест Уилкоксона), в то время как другая половина (8/16) показала кратковременный пик немедленной активации (по крайней мере, в два раза выше, чем исходная частота срабатывания и с z-баллами больше 2), за которым последовало значительное подавление (Рисунок 6E, средняя панель) (P<0.05, знаковый ранговый критерий Вилкоксона). В ответ на тот же тон, представленный в нейтральном патроннике, было очень ограничено или не было изменений в стрельбе (Рисунок 6D-F, правые панели). Эти результаты показывают, что предположительные дофаминовые нейроны типа 1 и типа 2 VTA могут двунаправленно кодировать интегрированные положительные и отрицательные сигналы (комбинированный тон и контекстную информацию в сочетании) путем увеличения и уменьшения их стрельб соответственно.

Важность контекстов в создании различных условных реакций также проявлялась в типах дофаминергических нейронов типа 3. Например, нейрон типа 3 в значительной степени реагировал на условный тон, который был связан с сахарным шариком в камере вознаграждения (Рисунок 7A, левая панель) или свободного падения в камере свободного падения (Рисунок 7A, средняя панель). С другой стороны, он не показывал никаких изменений скорости стрельбы, когда тон играл в нейтральной камере (Рисунок 7A, правая панель). Анализ населения снова подтвердил, что эти нейроны типа 3 увеличили их стрельбу до одного и того же условного тонуса в камерах вознаграждения и свободного падения (Рисунок 7B, левая и средняя панели), но не в нейтральной камере (Рисунок 7B, правая панель) (P <0.05, Студент t-тестовое задание). В совокупности приведенные выше контекстуальные эксперименты показывают, что информация, представленная на уровне нейронов дофамина VTA, сильно обрабатывается и богато интегрирована для кодирования заданного набора положительных или отрицательных мотивационных событий, связанных с экологическими контекстами.

Скачать:

Рисунок 7. Ответы типа-3 допаминергических нейронов на положительные и отрицательные сигналы через один и тот же условный тон в разных контекстах.

(A) Растровые события peri-событий (испытания 1-20) и гистограммы примерного нейронного типа типа 3 в ответ на тот же условный тон, который предсказывал доставку сахарного гранулята (слева), который предсказал событие свободного падения (среднее), и который не предсказывал все в нейтральной камере (справа). (B) Сглаженная популяция средних гистограмм гистограмм нейронов типа 3 (n = 6) в ответ на тот же условный тон, который предсказывал доставку сахарного гранулята (слева), который предсказал событие свободного падения (средний), и который ничего не предсказывал ( право). Свободное падение, высота 30 см.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g007

Задержка ответа на синдром VTA допамина

Затем мы попытались проанализировать задержку ответа на предполагаемые дофаминовые нейроны как на наградные, так и на страшные события. Гистограммы событий peri-событий 10 и 30 cm событий свободного падения и гистограмм peri-event событий сотрясения 0.2, 0.5 и 1 sec были объединены для отдельных дофаминовых нейронов для расчета времени ожидания ответа. Время ожидания ответа определялось путем первого получения средней скорости обжига (среднее) и стандартного отклонения (sd) из бункеров 1000 (bin = 10 ms) непосредственно перед началом стимула. Задержка реакции принималась за время, соответствующее первому ящику, по меньшей мере, из трех последовательных бункеров с Z-баллами ≥2 после начала стимула. Из-за низкой базовой скорости горения дофаминового нейрона гистограммы peri-событий (bin = 10 ms) были сглажены гауссовым фильтром (ширина фильтра = 3) для вычисления задержки срабатывания ответа на подавление (задержки срабатывания ответа типа -1 и типа-2 для свободного падения, встряхивания и отвратительной CS).

Наши результаты показали, что предполагаемые дофаминовые нейроны типа 1 и type-2 проявили сходные задержки наступления реакции для событий свободного падения и тряски (90.6 ± 31.3 мс против 108.4 ± 48.6 мс, среднее ± sd) (Рисунок 8A и E). Тип-3-дофаминергические нейроны также проявляли сходные латентности начала реакции к двум страшным событиям (43.5 ± 20.6 мс против 46.8 ± 24.2 мс), а также к двум условным раздражителям (75.7 ± 19.0 мс против 62.9 ± 12.5 мс ) (Рисунок 8B, D и F). С другой стороны, нейроны типа 1 и type-2 проявляли гораздо более длительную задержку ответа (подавления) к aversive CS по сравнению с задержкой наступления ответа (активации) до вознаграждения CS (181.6 ± 51.9 ms против 67.1 ± 19.0 мс) (Рисунок 8C и E). В целом, время ожидания ответа на подавление подавления обычно было больше, чем ожидаемая латентность ответа на активацию для любого сравнения (Рисунок 8E и F).

Скачать:

Рисунок 8. Отклики на возникновение ответа предполагаемых дофаминовых нейронов VTA.

(A) Отклики на возникающие реакции отдельных нейронов дофамина типа 1 и 2 для случаев свободного падения и встряхивания. (B) Отклики на возникновение ответа отдельных нейронов дофамина типа 3 на события свободного падения и встряхивания. (C) Отклики на возникновение ответа отдельных нейронов дофамина типа 1 и 2 на награду CS, которая предсказала сахарную таблетку и отвратительную CS, которая предсказывала свободное падение. (D) Отклики на возникновение ответа отдельных нейронов дофамина типа 3 на награду CS, которая предсказала сахарную таблетку и отвратительную CS, которая предсказывала свободное падение. (E) Средние задержки ответа на поступление в популяции дофаминовых нейронов типа 1 и 2 (из тех же данных, что указаны в A и C) и (F) типа-3 (из тех же данных, что указаны в B и D). Временные задержки ответа для нейронов типа 1 / 2 для свободного падения, встряхивания и отвращения CS соответствуют задержкам подавления; а остальные соответствуют задержкам активации. Ошибки, sd

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g008

Синхронизация между уникальными наборами нейронов допамина VTA

Поскольку уровни допамина в целевых областях часто связаны с различными когнитивными исходами, уже давно выдвигается гипотеза о том, что синхронное обжига нейронов допамина может представлять собой нейронный механизм для реализации этой стратегии нейронной химии [28], [29], Это понятие подтверждается исследованиями, показывающими, что подмножества дофаминовых нейронов в компактинах субстратных нигр (SNc) проявляют спонтанную синхронизированную активность [24], [30]. Используя многотетродную запись в наших экспериментах, у нас была возможность изучить динамические корреляции между одновременно зарегистрированными предполагаемыми дофаминовыми нейронами в VTA (с одновременной записью до пяти предполагаемых дофаминовых нейронов). Наш анализ показал, что подавляющее большинство предполагаемых дофаминовых нейронов демонстрируют спонтанно синхронизированную активацию, независимо от цикла сна и бодрствования животного (Рисунок 9). Например, кросс-корреляция двух одновременно зарегистрированных предполагаемых дофаминовых нейронов типа 1 была очень значительной (Рисунок 9A и B). Из анализа объединенных наборов данных, в целом, подавляющее большинство (83%; 48/58 пар) одновременно записанных нейронов типа 1 показали значительную синхронизацию (пиковый z-показатель> 11) во временном окне около 100 мс. независимо от того, вели себя мыши свободно или спали (Рисунок 9C). Аналогично, была также значительная синхронизация между одновременно записанными типами 1 и предполагаемыми дофаминовыми нейронами типа 2 (типа XNUMX)Рисунок 9D-F). Из одновременно записанных пар нейронов типа 1 и типа 2, 75% (6 / 8) из них показали значительную синхронизацию, когда мыши либо свободно вели себя, либо спали (Рисунок 9F).

Скачать:

Рисунок 9. Синхронизация среди уникальных наборов предполагаемых дофаминовых нейронов VTA.

(A) Растровые события peri-событий (испытания 1-20) и гистограммы двух одновременно записанных нейронов типа 1 в ответ на событие свободного падения и (B) кросс-коррелограмма между этими двумя нейронами, когда мышь свободно ведет себя. (C) Усредненные кросс-коррелограммы между одновременно записанными нейронами типа 1 (пары 48 во время свободного поведения и пары 35 во время сна). (D) Рэйстер-события и гистограммы двух одновременно записанных нейронов типа 1 и типа 2 в ответ на событие свободного падения и (E) кросс-коррелограмма между этими двумя нейронами во время свободного поведения. (F) Усредненные кросс-коррелограммы между одновременно записанными нейронами типа 1 и типа 2 (пары 6 во время как свободного поведения, так и сна). (G) Рэйстер-события и гистограммы двух одновременно записанных нейронов типа 3 в ответ на событие свободного падения и (H) кросс-коррелограмма между этими двумя нейронами во время свободного поведения. (I) Усредненные кросс-коррелограммы между одновременно записанными нейронами типа 3 (пары 15 во время свободного поведения и пары 12 во время сна). (J) Персистентные растры и гистограммы двух нейронов типа 1 и типа 3 (одновременно записанных из одного тетрода) в ответ на событие свободного падения и (K) кросс-коррелограмма между этими двумя нейронами во время свободного поведения. (L) Усредненные кросс-коррелограммы между одновременно записанными нейронами типа 1 и типа 3 (пары 12 во время свободного поведения и пары 10 во время сна). Свободное падение, высота 30 см.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.g009

Кроме того, значительная синхронизация наблюдалась также в предполагаемой популяции дофаминовых нейронов типа 3 (Рисунок 9G-I). Из одновременно записанных пар нейпанов типа DXXXXXXXXXXXX (3 / 79) из них была показана значительная синхронизация (Рисунок 9I). С другой стороны, когда для их кросс-корреляции были рассчитаны одновременно зарегистрированные нейроны типа 1 и типа 3, или нейроны допамина типа 2 и типа 3 (n = 12 пары), он не обнаружил существенной синхронизации (Рисунок 9J-L). Вместе синхронная активность среди подавляющих страх предполагаемых дофаминовых нейронов (тип-1 и тип-2), а также среди нейронов с возбужденным возбуждением типа 3 предполагает, что различные субпопуляции предполагаемых дофаминовых нейронов могут получать различные входы из отдельных областей мозга и интегрированы с различными сетями [25], [31], [32].

Обсуждение

Наши ансамблевые записи и анализы дали набор доказательств роли нейронов допамина в обработке как положительных, так и отрицательных переживаний. Мы обнаружили, что нейроны дофамина VTA проявляют разнообразные свойства ответа, и подавляющее большинство предполагаемых нейронов допамина реагируют как на поощрение, так и на страшные стимулы. Эта конвергентная стратегия кодирования с помощью дофаминовых нейронов VTA интересна в свете высоко цитированного исследования у бодрствующих обезьян, которое показывает, что нейроны допамина предпочтительно реагируют на стимулы с аппетитной, а не отвратительной мотивационной ценностью [33], Аверсивные стимулы, такие как воздушный слой, используемый в этом исследовании, являются довольно мягким стимулом по сравнению с двумя страшными событиями, которые были использованы в нашем эксперименте. Некоторые исследователи предположили, что отвратительный стимул, такой как воздушный слой, может не иметь отрицательной ценности, потому что обезьяны могут научиться мигать или закрывать глаза на условный раздражитель, чтобы избежать аверсивного раздражителя [9], [34], С другой стороны, в более поздних исследованиях у бодрствующих обезьян показано существование различных типов дофаминовых нейронов в компактах Substia nigra pars (SNc) для передачи как положительных, так и отрицательных сигналов [5], [9], [19], Таким образом, нейроны дофамина VTA и SNc могут следовать единой стратегии кодирования для конвергентной обработки положительных и отрицательных мотивационных сигналов.

В VTA более раннее исследование продемонстрировало, что различные популяции VTA предполагаемых дофаминовых нейронов были активированы или подавлены дифференциальным обучением страха [35], Недавно было сообщено, что дофаминовые нейроны, расположенные в брюшной части VTA, были активированы ногами в анестезированных крысах [36], Однако в этих двух исследованиях не было показано, как одни и те же дофаминовые нейроны будут реагировать на наградные или позитивные события. Используя преимущества свободно действующих состояний наших записывающих мышей, мы представили мышей как положительные, так и отрицательные стимулы и обнаружили, что подавляющее большинство нейронов VTA допамина реагируют на награду и отрицательные переживания.

Важно отметить, что наш текущий внеклеточный метод записи не имеет возможности визуализировать различные типы предполагаемых дофаминовых нейронов в нашем эксперименте. Мы оцениваем, что тип-3 допаминергикоподобные нейроны, зарегистрированные в нашем эксперименте, по-видимому, расположены более дорсально или спереди в области VTA (Рисунок 1A, красные и фиолетовые квадраты). Однако было отмечено, что по меньшей мере пары 12 нейронов типа 1 / 2 и типа 3 регистрировались одновременно и в нескольких случаях регистрировались из одного тетрода (например, Рисунок 3G; Рисунок 9J). Для решения этой проблемы могут потребоваться дальнейшие более тщательные анатомические эксперименты. Тем не менее, наши результаты на мышах, ведущих бодрствующий образ жизни, дополнительно подтверждают мнение о том, что, хотя большинство предполагаемых дофаминовых нейронов VTA демонстрируют пониженную активность, небольшая группа дофаминергических нейронов может быть активирована негативными или отталкивающими событиями. Дофаминергические нейроны 3-го типа, зарегистрированные в нашем эксперименте, имели большее сходство с предполагаемыми дофаминовыми нейронами типа 1/2, чем с нейронами, не содержащими дофамина: все три типа нейронов демонстрировали низкую исходную частоту возбуждения (0.5-10 Гц), относительно длительную интервал между спайками (> 4 мс) и регулярный режим срабатывания. С другой стороны, недофаминовые нейроны VTA в основном демонстрировали более высокую базовую частоту возбуждения (> 10 Гц) и сильную модуляцию движением. [21]–[23]. В ответ на два пугающих события большинство этих недофаминовых нейронов (> 70%) проявили значительную активацию и большое разнообразие временных паттернов возбуждения. Сложная базовая активность, а также свойства ответа этих недофаминовых нейронов на два пугающих события выходят за рамки обсуждения здесь.

Наши текущие результаты также дают несколько новых сведений о роли нейронов дофамина VTA как в положительной, так и в негативной мотивации. Во-первых, предполагаемые дофаминовые нейроны VTA реагируют на разные отрицательные раздражители подобными манерами у бодрствующих животных. То есть нейроны, которые реагировали на свободное падение, всегда реагировали на тряску аналогичным образом (подавление для нейронов типа 1 и типа 2, активация для нейронов типа 3). Однонаправленные ответы на негативные события в данном типе нейронов допамина VTA аналогичны ответам на широкий спектр новых и связанных с наградами событий [5], [37].

Вторым примечательным признаком является сильное смещение коррекции отскока дофаминовых нейронов типа 1 при прекращении событий свободного падения или встряхивания. Это компенсированное возбуждение у свободнодействующих животных может кодировать информацию, отражающую не только облегчение при прекращении таких страшных событий [38]–[40], но, возможно, предоставление некоторых видов мотивационных сигналов (например, мотивация к побегу). Также одинаково возможно, что возбуждение с компенсацией смещения может сыграть важную роль в привлечении к трепетному поведению (например, экстремальные виды спорта, «Башня террора» в Disney World). Следует отметить, что активация отскока дофаминового нейрона VTA также сообщалась при прекращении стимулов стопы при анестезированных крысах [36]. Тем не менее, будет очень интересно продолжить изучение функциональной значимости дофаминового нейрона при различных видах рискованного поведения.

В-третьих, предполагаемые дофаминовые нейроны VTA проявляют временную динамическую активность, которая тесно коррелирует с продолжительностью страшных событий. Использование изменения временной активности для кодирования страшной продолжительности события, кажется, имеет хороший смысл, потому что подавление очень ограничено из-за низкой базовой скорости стрельбы большинства нейронов допамина. Это интересно по сравнению с обнаружением того, что нейроны допамина проявляют разные пиковые ответы на разные значения бонусов вознаграждения [41], Рассматривая источники, которые приводят к подавлению дофаминовых нейронов типа 1 и типа-2, недавние исследования показывают, что боковые габнулярные ядра (LHb) и GABAergic rostromedial tegmental nucleus (RMTg) играют важную роль [42]–[45]. Во-первых, эти ядра демонстрируют противоположные ответы на стимулирующие или отталкивающие стимулы по сравнению с ответами дофаминовых нейронов на те же стимулы. [42], [44], Во-вторых, дофаминовые нейроны сильно подавляются после активации LHb или RMTg [43], [45].

В-четвертых, мы также показываем, что нейроны допамина VTA могут проявлять совершенно противоположное изменение в их обстрелах условным раздражителем для сигнализации либо о наградных, либо страшных событиях, которые происходили в определенных контекстах (Рисунок 6). Это наводит на мысль, что нейронная обработка, происходящая на уровне VTA, очень интегрирована, и контекстуальная информация является неотъемлемой частью процесса кодирования как для положительного, так и для отрицательного опыта. Это открытие согласуется с анатомическими данными и предыдущими гипотезами о том, что нейроны VTA получают высоко обрабатываемую информацию от структур переднего мозга, таких как гиппокамп и префронтальная кора [37], [46]–[48], Эта высокоуровневая интеграция опыта и событий в популяции нейронов VTA может объяснить, почему среда играет такую доминирующую роль в выявлении тяги или усилении привычек.

Наконец, наши методы одновременной записи позволили нам продемонстрировать значительную корреляцию между предположительными дофаминовыми нейронами типа 1 и типа 2, а также среди нейронов типа 3. Специфика такой синхронной синхронизации очень интересна, учитывая рассмотрение возможного расположения сети VTA. Это говорит о том, что предполагаемые дотаминальные нейроны VTA могут использовать две высокоспецифические синхронизированные стратегии для оптимизации и эффективности передачи дофамина и, таким образом, обеспечивают скоординированную модуляцию нижерасположенных структур, таких как ядра accumbens. Отсутствие синхронизированной активности между нейронами типа 3 и типа 1 / 2 согласуется со многими другими различиями между ними, как электрофизиологически, так и фармакологически (Рисунок 3). В частности, в отличие от предполагаемых дофаминовых нейронов типа 1 и типа 2, почти все (96%, 23 / 24) которых проявляют значительное подавление, нейроны типа 3 в противном случае показывают возбуждение агонистами рецептора допамина (Рисунок 3H). Отмечается, что предполагаемые дофаминовые нейроны, как сообщается, в основном ингибируются или не влияют на агонист рецептора допамина в предыдущих исследованиях. Только в нескольких исследованиях сообщалось, что некоторые дофаминовые нейроны могут быть активированы агонистами дофаминовых рецепторов [24], [25], возможно, потому, что активированные нейроны были просто классифицированы как не допаминовые нейроны в предыдущих исследованиях. Примечательно, что небольшое количество нейтанов допамина VTA, которые также являются TH-положительными, как сообщается, активируется агонистом дофаминовых рецепторов [25], Будущие эксперименты, возможно, с использованием оптогенетики, потребуются для подтверждения того, являются ли эти активированные страх-нейроны типа 3 дофаминовыми нейронами. И принятие этих типов нейронов типа 3 в качестве дофаминовых нейронов должно быть с осторожностью на сегодняшний день.

Таким образом, мы показываем, что подавляющее большинство предполагаемых дофаминовых нейронов VTA способны реагировать как на рекламу, так и на произвол судьбы. Эти предполагаемые дофаминовые нейроны одинаково реагируют на различные негативные события и, что более важно, их временные продолжительности динамических изменений стрельбы пропорциональны продолжительности страшных событий. VTA предполагаемые дофаминовые нейроны также интегрируют сигналы и контекстуальную информацию для различия между наградами и страшными событиями. Взятые вместе, мы предлагаем, чтобы нейроны дофамина VTA могли использовать стратегию конвергентного кодирования на уровне популяции сети для обработки как положительного, так и отрицательного опыта. Такое конвергентное кодирование опыта также высоко интегрировано с киями и контекстами окружающей среды для дальнейшего повышения специфики поведения.

Материалы и методы

Заявление о этике

Все животные, используемые в этом исследовании, проводились в соответствии с процедурами, одобренными Комитетом по уходу за больными и их использованием, Университетом здравоохранения Грузии и охватывали протокол номер BR-07-11-001.

Тематика

В общей сложности мыши 71 C57BL / 6J использовали для записи и индивидуально размещались в темном цикле 12-h light / 12-h. В данных анализах использовались только данные от мышей 24, из которых мы записали предполагаемые дофаминовые нейроны.

Операции

32-канальная (связка из 8 тетродов), сверхлегкая (вес <1 г), подвижная (с винтовым приводом) электродная решетка была сконструирована аналогично описанной ранее. [49], Каждый тетрод состоял из четырех проводов Ni-Ni-Cr диаметром 13-мкм (Stablohm 675, California Fine Wire, с импедансами обычно 2-4 MΩ для каждого провода) или диаметром 17-мкм Платиновые провода (90% Platinum 10% Iridium, California Fine Wire, с импедансами обычно 1-2 MΩ для каждого провода). За неделю до операции мышей (3-6 месяцев) удаляли из стандартной клетки и размещали в индивидуальных домах (40 × 20 × 25 см). В день операции мышей анестезировали с помощью кетамина / ксилазина (80 / 12 мг / кг, ip); после этого имплантировали электродную решетку в направлении VTA в правом полушарии (3.4 мм сзади bregma, 0.5 мм латерально и 3.8-4.0 мм вентрально к поверхности мозга) и закреплены зубным цементом.

Изоляция Tetrode Recording и Units

Через два или три дня после операции электроды ежедневно скринировали на предмет нейронной активности. Если бы не было обнаружено дофаминовых нейронов, массив электродов был расширен 40 ~ 100 μm ежедневно, пока мы не смогли записать из предполагаемого дофаминового нейрона. Многоканальная внеклеточная запись была аналогична описанной ранее [49], Короче говоря, шипы (отфильтрованные на 250-8000 Гц, оцифрованные в 40 кГц) были записаны в течение всего экспериментального процесса с использованием многоканальной процессорной системы сбора Plexon (Plexon Inc.). Поведение мышей было одновременно записано с использованием системы слежения Plexon CinePlex. Записанные спайки были изолированы с использованием программного обеспечения Plexon OfflineSorter: для наилучшей изоляции регистрируемых в тет-тепе импульсных сигналов использовались множественные параметры сортировки спайков (например, анализ основных компонентов, энергетический анализ). Сочетая стабильность многотетрозной регистрации и множественных методов выделения единиц, доступных в автономном режиме (например, анализ основных компонентов, анализ энергии), отдельные нейтоны VTA могут быть изучены очень подробно, во многих случаях в течение нескольких дней (например,Рисунок S1).

Страшные события

Два страшных события, свободное падение (от 10 и 30 см) и дрожание (для 0.2, 0.5 и 1 сек) были случайным образом выполнены в наших экспериментах с интервалом обычно 1-2 часов между сеансами. Мы использовали квадрат (10 × 10 × 15 см) или круглую камеру (11 см в диаметре, высота 15 см) для события свободного падения. Мы использовали круглую камеру (12.5 см в диаметре, высота 15 см) для событий тряски. В каждом сеансе свободного падения или встряхивания мышь помещалась в камеру свободного падения или встряхивания (мышь могла свободно перемещаться внутри камер). После 3 min habituation, о 20 испытаниях событий свободного падения (или встряхивания) были даны интервал 1-2 min между испытаниями. Камера свободного падения была поднята (высота 10 см или 30 см) и привязана к соленоидной системе (Magnetic Sensor Systems, Series S-20-125) перед каждым событием свободного падения. Событие свободного падения затем было поставлено путем обеспечения точного механического управления (WPI, PulseMaster A300) соленоидной системы для освобождения подвесного троса. Камера свободного падения затем приземлилась на мягкую подушку, которая значительно уменьшала отскоки и предотвращала потенциальные повреждения стабильности записи (Цифры S2 и S3). Продолжительность свободного падения рассчитывалась по формуле: T = SQRT (2 × h / g), где h - высота свободного падения, а g - ускорение свободного падения Земли. Учитывая задержку мягкой посадки, расчетная продолжительность свободного падения 10 и 30 см составила 230 и 340 мс соответственно. Событие встряхивания осуществлялось путем обеспечения точного механического управления вихревой машиной (миксер Thermolyne Maxi Mix II, тип 37600) с максимальной скоростью 3000 об / мин на всем протяжении, за исключением случая низкой интенсивности, которая составляла около 1500 об / мин.

Мы всегда следили за стабильностью зарегистрированных единиц, изучая формы всплесков, исходный уровень обжига и распределения скоплений кластеров до и после событий, а также во всех экспериментах. Мы только включили наборы данных от животных, которые соответствовали этим критериям регистрации для дальнейшего анализа данных. Как показано в Цифры S1, S2и S3, нейроны допамина, перечисленные в настоящем исследовании, были стабильно зарегистрированы и хорошо изолированы во время обоих случаев свободного падения и встряхивания, без временной потери загрязнения единицы или шума / артефакта.

В частности, мы предприняли три шага, чтобы гарантировать, что шипы не были загрязнены никакими артефактами: 1). Мы уменьшили помехи для записи, заземляя весь экспериментальный аппарат. Мы обнаружили, что электрические артефакты, генерируемые во время событий свободного падения и тряски, были на том же уровне, что и при локомоторной разведке. 2) Мы также отменили оставшиеся артефакты клиентом ссылки на Plexon, который позволил нам выбрать канал без видимых хороших единиц в качестве эталонного канала. Это значительно устранило фоновые шумы и артефакты. 3) Если какие-либо возможные формы артефактов все еще остались, мы удалили их во время предварительной обработки всплесков сигналов с использованием Plexon Offline Sorter, потому что артефактные сигналы были сильно отличны от сигналов нейронных всплесков.

Вознаграждение и двунаправленное кондиционирование

Мышам было немного ограничено питание перед тренировкой ассоциации вознаграждения. В условиях кондиционирования мышей помещали в камеру вознаграждения (45 см в диаметре, высота 40 см). Мышам было обучено сопрягать тон (5 кГц, 1 сек) с последующей доставкой сахарного грануля в течение как минимум двух дней (испытания 40-60 в день с интервалом 1-2 min между испытаниями). Тон был сгенерирован генератором звуковых сигналов A12-33 (высота и падение 5-мс, примерно в 80 дБ в центре камеры) (Coulbourn Instruments). Раствор сахара (14 мг) доставляли с помощью раздатчика пищевых продуктов (ENV-203-14P, Med. Associates Inc.) и упали в один из двух сосудов (12 × 7 × 3 см) при прекращении тона (другой сосуд использовался в качестве контроля, когда сахарный гранулы никогда не получали).

В отдельном наборе экспериментов мышей обучали для двунаправленного кондиционирования (как вознаграждения, так и отвращения). Условный тон (5 кГц, 1 сек) был идентичным, но в разных контекстах: во время подготовки награды (в камере вознаграждения, 45 см в диаметре, 40 см в высоту), тон был соединен с доставкой сахарных гранул; во время отвратительного кондиционирования (в камере свободного падения) один и тот же тон был сопряжен со случаем свободного падения (высота 30 см). Мышей обучали в течение одной недели или более и уравновешивали: половина мышей получила компенсацию за обучение в дни 1 и 2, а затем аверсивное кондиционирование в дни 3 и 4 (испытания 40-60 каждый день); другая половина мышей получала отвратительное кондиционирование в дни 1 и 2, а затем за вознаграждение в дни 3 и 4 (40-60 проб в день). В дни 5 и позже три сеанса (испытания 20-30 за сеанс) давались каждый день в случайном порядке, включая компенсацию кондиционирования, аверсивное кондиционирование и в третьей нейтральной камере (55 × 30 × 30 см, которая была обогащена игрушками ), где тон ничего не предсказывал. Интервал между сеансами был 1-2 часов; интервал между испытаниями составлял 1-2 мин. Латентность подхода сахара / контрольного сосуда после начала условного тона была исследована в день 7. Латентности, превышающие 60 сек, считались 60 сек; в случае, когда мышь находилась внутри сосуда во время условного тона, латентность не использовалась для расчета. Поведение движения назад (головы и / или конечностей, движущихся назад) после начала условного тона также рассматривалось в день 7.

Гистологическая проверка места записи

По завершении экспериментов конечное положение электрода было отмечено пропусканием через два электрода 10-сек, 20-μA тока (Stimulus Isolator A365, WPI). Мышей подвергали глубокой анестезии и перфузировали солевым раствором 0.9% с последующим 4% параформальдегидом. Затем мозги удаляли и фиксировали в параформальдегиде по меньшей мере на 24 h. Мозги быстро замораживали и нарезали на криостате (корональные секции 50-мкм) и окрашивали крезилово-фиолетовым. Гистологические эксперименты проводились на мышах 21 (у других мышей 3 секции мозга, к сожалению, не были хорошо подготовлены). Результаты нашей гистологии подтвердили, что нейроны допамина регистрировали из области VTA у мышей 17 и из пограничной области VTA-SNc у мышей 4 (Рисунок 1A).

Анализ данных

Отсортированные нейронные спайки обрабатывались и анализировались в NeuroExplorer (Nex Technologies) и Matlab. Дофаминовые нейроны были классифицированы на основе следующих трех критериев: 1) низкая исходная частота возбуждения (0.5–10 Гц); 2) относительно длинный интервал между спайками (все классифицированные предполагаемые дофаминовые нейроны имеют ISI> 4 мс с уровнем достоверности ≥99.8%). Самый короткий ISI, который мы зарегистрировали, составлял 4.1 мс при любых условиях в нашем эксперименте (только хорошо изолированные блоки с амплитудой ≥0.4 мВ использовались для расчета самого короткого ISI). Среднее значение кратчайшего ISI составило 6.8 ± 2.2 мс (Среднее ± стандартное отклонение; n = 36). Напротив, ISI для недофаминовых нейронов может быть всего 1.1 мс; 3) регулярный режим стрельбы, когда мыши вели себя свободно (колебания <3 Гц). Здесь колебание представляет собой стандартное отклонение (sd) значений столбца гистограммы скорости стрельбы (интервал = 1 секунда; записывается в течение не менее 600 секунд). Кроме того, было отмечено, что подавляющее большинство (89%; 56/63) классифицированных протестированных дофаминовых нейронов показали значительную активацию в ответ на тон, предсказывающий вознаграждение (Рисунок 2E и F). Было также отмечено, что большинство классифицированных предполагаемых нейронов допамина (70%, 23 / 33, тип-1 и 2) показали значительное подавление (≤30% базовой скорости обжига), а другие нейроны 27% -NNUMX (n = 3) показали активацию (Рисунок 3H). С другой стороны, нейроны не-допамина VTA показали ограниченное или не изменяли скорость горения агонистами рецептора допамина (Рисунок 3I). Половина AP ширины всплесков сигналов измерялась от желобов до следующих пиков потенциала действия (Рисунок 1B). Половина ширины точки доступа более 0.8 мс считалась равной 0.8 мс. Для расчета вероятности импульсного срабатывания дофаминового нейрона базовая активность, когда мыши вели свободное поведение, использовалась в соответствии с ранее установленными критериями (начало всплеска, ISI ≤80 мс; смещение всплеска, ISI ≥160 мс). [50].

Изменения активности нейронов к условным и безусловным стимулам сравнивались с контрольным периодом 10-sec до начала стимула в каждом испытании с выбранным временным окном (в зависимости от продолжительности стимулов) с использованием теста подписи Wilcoxon. Для событий свободного падения 10 и 30 см, окна времени были 100-230 и 100-340 мс после начала события свободного падения, соответственно; для событий сотрясения 0.2, 0.5 и 1 секунд временные окна были 100-200, 100-500 и 100-1000 мс после начала события shake соответственно (было отмечено, что несколько предполагаемых дофаминовых нейронов типа 1 / 2 , ~ 10%, также показали небольшую активацию во время начального 100 мс сразу после появления событий свободного падения и тряски). Для кондиционирования вознаграждения окно времени было 50-600 мс после наступления условного тона; для отвратительного кондиционирования временное окно было 200-600 мс после наступления условного тона.

В NeuroExplorer (Nex Technologies) были проведены ранние растровые события (испытания 1-20, сверху вниз) и гистограммы. Все сглаживания проводились в NeuroExplorer с использованием фильтра Гаусса (ширина фильтра = 3). Кросс-корреляции проводились между одновременно зарегистрированными парами нейронов допамина, когда мыши свободно ведут себя (без внешних раздражителей) или спали в домашнем хозяйстве. Для расчета значения взаимной корреляции z-балла гистограммы кросс-корреляции были сглажены, чтобы получить пиковое значение; средние и стандартные отклонения были получены из перетасованных (рандомизированных) всплесков в Matlab [51], Отмечается, что синхронизированные единицы представляют разные нейроны допамина, а не один и тот же нейрон. Мы исключили возможность того, что синхронизированные единицы были записаны или загрязнены одним и тем же нейроном (когда это произошло, был бы резкий пик за один раз вдовой ~ 1 ms вместо ~ 100 мс, как показано в Рисунок 9).

Вспомогательная информация

Figure_S1.tif

1 / 3

инжирShare

скачать

VTA-дофаминовые нейроны стабильно регистрируются и хорошо изолированы. (A) Пример хорошо изолированного дофаминового нейрона типа 1 (синие точки) в 2-мерном анализе основных компонентов и его репрезентативных формах (записанных тетродом) в день 1 (верхняя панель) и в день 2 (нижняя панель) , Изоляцию спайка выполняли с использованием Plexon OfflineSorter (Plexon Inc. Dallas, TX). PC1 и PC2 представляют собой первый и второй основные компоненты, соответственно. Синие точки представляют собой отдельные спайки изолированного дофаминового нейрона; черные точки указывают отдельные всплески для других нейронов VTA. (B) Пример хорошо изолированного нейрона дофамина типа 2 (синие точки) и его репрезентативных сигналов в день 1 (верхняя панель) и день 2 (нижняя панель). (C) Пример хорошо изолированного нейрона дофамина типа 3 (синие точки) и его репрезентативных сигналов в день 1 (верхняя панель) и день 2 (нижняя панель).

Рисунок S1.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.s001

(TIF)

Рисунок S2.

Отсутствие временной потери устройства во время свободного падения и сотрясений. (A) Ответы четырех одновременно записанных дофаминовых и недофаминовых нейронов VTA во время событий свободного падения. Обратите внимание, что единицы, записанные с одного и того же тетрода, могут показывать противоположные отклики (например, тетрод № 5, блоки 1 и 2; тетрод № 8, блоки 1 и 2), что позволяет предположить, что запись была стабильной без каких-либо временных потерь единиц. (B) Ответы тех же четырех нейронов VTA во время событий встряхивания. (C) Типичные формы сигналов для тех же четырех нейронов VTA за 1 час до, во время сеанса свободного падения и сотрясения и через 1 час после.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.s002

(TIF)

Рисунок S3.

Отсутствие загрязнения / загрязнения артефакта во время событий свободного падения и тряски. (A) Ответы примера предполагаемого дофаминового нейрона (тип-1) и его сигналов до (1 сек), во время (1 сек) и после (1 сек) событий свободного падения и дрожания. Обратите внимание, что формы волны не показали значительного изменения после события свободного падения и тряски, что указывает на отсутствие загрязнения шумом / артефактом. (B) Ответы другого предполагаемого дофаминового нейрона (тип-3) и его сигналов до (1 сек), в течение (1 сек) и после (1 сек) событий свободного падения и тряски.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0017047.s003

(TIF)

Благодарности

Мы благодарим доктора Реу-Бет Марковица за редактирование нашей рукописи и Кун Се за техническую поддержку.

Авторские вклады

Задуманные и разработанные эксперименты: DVW JZT. Выполнили эксперименты: DVW. Проанализированы данные: DVW JZT. Написал документ: DVW JZT.

Конвергентная обработка как положительных, так и отрицательных мотивационных сигналов у VTA допамин-нейронных популяций (2011)

Абстрактные

цифры

Введение

Итоги

Классификация предполагаемых дофаминовых нейронов

Три типа чувствительных к страху VTA предполагаемых дофаминовых нейронов

Модели обжига и характеристики фармакологии

Ответы предполагаемых дофаминовых нейронов VTA на разные длительности и интенсивности страшных событий

Интегральное кодирование событий и контекстов

Задержка ответа на синдром VTA допамина

Синхронизация между уникальными наборами нейронов допамина VTA

Обсуждение

Материалы и методы

Заявление о этике

Тематика

Операции

Изоляция Tetrode Recording и Units

Страшные события

Вознаграждение и двунаправленное кондиционирование

Гистологическая проверка места записи

Анализ данных

Вспомогательная информация

Благодарности

Авторские вклады

Рекомендации

Полезное