Декодирующие нейронные цепи, которые контролируют принудительный поиск сахарозы (2015) (МЕХАНИЗМ БИНГА)

Чтобы идентифицировать нейроны LH, которые обеспечивают моносинаптический вход в VTA in vivo, и наблюдать за их активностью во время свободного движения, мы использовали двойную вирусную стратегию для избирательной экспрессии канала родопсина-2 (ChR2) в нейронах LH, обеспечивающих моносинаптический вход в VTA (Цифры 1A и S1). Мы вводили адено-ассоциированный вирусный вектор (AAV₅), несущим ChR2-eYFP в конструкции Cre-рекомбиназа-зависимой двойной инвертированной открытой рамки считывания (DIO) в LH для инфицирования локальных сомов, и вводили ретроградно перемещающийся вирус простого герпеса (HSV), несущий Cre-рекомбиназу, в VTA. Последующая рекомбинация позволила избирательно экспрессировать опсин и флуорофор в нейронах LH, обеспечивая моносинаптический вход в VTA. Чтобы подтвердить наш подход, мы выполнили ex vivo записи патч-кламп целых клеток в горизонтальных срезах мозга, содержащих ЛГ и записанных с нейронов, экспрессирующих ChR2-eYFP, а также с соседних нейронов ЛГ, которые были ChR2-eYFP отрицательными (фигура 1Б). Латентность вызванных светом спайков, измеренная от начала светового импульса до пика потенциала действия, варьировалась от 3-8 мс (фигура 1C). Мы также обнаружили, что ни одна из зарегистрированных неэкспрессирующих (ChR2-отрицательных) клеток не показывала возбуждающих реакций на фотостимуляцию (n = 14; фигура 1В), несмотря на их близость к ChR2-экспрессирующим клеткам.

Чтобы выполнить оптогенетически опосредованную фотоидентификацию in vivo, оптрод был имплантирован в ЛГ для регистрации нейрональной активности во время поиска сахарозы. В том же сеансе записи мы предоставили несколько моделей фотостимуляции для идентификации ChR2-экспрессирующих нейронов LH-VTA (Цифры 1D и S1). Мы исследовали распределение задержек возбуждающего фотоотклика по всем нейронам ЛГ, демонстрирующим временное изменение скорости срабатывания в ответ на освещение, и наблюдали бимодальное распределение (фигура 1E). Мы наблюдали популяцию нейронов во время записи in vivo с латентностью в диапазоне 3-8 мс. Это было идентично диапазону латентности, обнаруженному в нейронах LH-VTA, экспрессирующих ChR2, при записи ex vivo. Мы назвали эти единицы единицей «Тип 1» (Цифры 1C, 1E и 1F). Кроме того, существовала отличная популяция клеток с латентностью фотоответа ~ 100 мс (Цифры 1E и 1G), и мы назвали эти единицы «Тип 2». Мы также наблюдали нейроны, которые были ингибированы в ответ на фотостимуляцию нейронов LH-VTA (Рисунок S2), и мы назвали эти единицы «Тип 3». Мы сравнили продолжительность потенциала действия (измеренную от пика до впадины) и средние скорости стрельбы единиц типа 1 и типа 2, а также тех, которые не показали фотоответ (фигура 1ЧАС). Распределение длительностей потенциала действия типа 1 (фигура 1I) и введите 2 (фигура 1J) показывает, что большинство единиц типа 1 имеют длительность потенциала действия менее 500 мкс (84%; n = 16/19, биномиальное распределение, p = 0.002).

Хотя единицы типа 1 соответствуют стандартным критериям для классификации как экспрессирующие ChR2 (Cohen et al., 2012, Zhang et al., 2013), было неясно, является ли более длительный латентный фотоответ единиц типа 2 показателем того, что нейроны, экспрессирующие ChR2, ответили. медленнее к фотостимуляции, или был ли этот эффект из-за сетевой активности. Учитывая, что нейроны LH, экспрессирующие ChR2 (Тип 1), проецируются непосредственно в VTA, одна из возможностей заключалась в том, что нейроны типа 2 получали обратную связь от VTA (фигура 1K). Другая возможность состояла в том, что нейроны типа 2 были активированы коллатералями аксонов из нейронов типа 1 (фигура 1Л). Чтобы провести различие между этими двумя возможными схемными моделями, мы запретили VTA в сочетании с фотоидентификацией в LH.

Основываясь на наших схемных схемах, мы ожидаем, что дистальное торможение не окажет влияния на фотоответы LR-экспрессирующих нейронов LR. Однако, если фотореагирующий, но неэкспрессирующий, нейроны LH полагались на обратную связь от VTA, чтобы вызвать синхронизированный ответ на освещение (фигура 1K), мы ожидаем ослабления фотоответов в этих нейронах при ингибировании VTA. Мы экспрессировали ChR2 в клетках LH-VTA, как описано выше, но на этот раз также экспрессировали усиленный галородопсин 3.0 (NpHR) в VTA и имплантировали оптическое волокно в VTA в дополнение к оптроду в LH (фигура 2А). Мы предоставили одинаковые схемы освещения в голубом свете на ЛГ для всех трех эпох, но также фотоингибировали VTA с желтым светом во второй эпохе (фигура 2А).

На фотоответы единиц типа 1 на освещение синим светом в LH не влияло фотоингибирование VTA, что согласуется с экспрессией ChR2 в нейронах типа 1 LH-VTA (фигура 2Б). Напротив, большинство единиц типа 2 (87%; n = 13/15, биномиальное распределение, p = 0.004) показали значительное ослабление фотоответов на импульсы синего света, доставляемые в LH, при фотоингибировании нейронов VTA. Ответы единиц типа 1 и типа 2 во время фотоингибирования VTA значительно различались (хи-квадрат = 7.64, p = 0.0057; Цифры 2B и 2C). Эти различия также можно увидеть в макс Z баллов в отдельные эпохи (фигура 2D) и с эпохой желтого ВКЛ, нормализованной к эпохе желтого ВКЛ (фигура 2E). Эти данные предполагают, что нейроны типа 2 LH получают входные данные (прямо или косвенно) от VTA (фигура 1K), а не через местные аксонные коллатерали (фигура 1Л).

Выявив эти два различных типа LH-нейронов в петле LH-VTA, мы хотели изучить естественную нейронную активность во время задачи самостоятельного введения сахарозы (фигура 3А). Мышей обучали трюкать носом для прогнозирования доставки сахарозы в соседний порт (как у Tye et al., 2008). Чтобы мы могли различать нейронные реакции на толчок и сигнал, сигнал и сахароза доставлялись по схеме частичного подкрепления, в которой 50% толчков сочетались с сигналом и доставкой сахарозы.

Устройства типа 1 показали фазовые ответы на вход в порт сахарозы, как видно на типичном устройстве типа 1 (фигура 3B), а также данные о населении для всех единиц типа 1 (фигура 3С). Фазовые ответы единиц типа 2, однако, в основном отражали ответы на сигнал с предсказанием вознаграждения (Цифры 3D и 3E). Нормализованные паттерны срабатывания всех записанных нейронов (n = 198, разделенных на типы 1, 2, 3 и не отвечающие единицы) отображаются для каждого компонента задачи: тычки носом в пару с сигналом, тычки носом в отсутствие сигнала и вход сахарозы (фигура 3F). Все единицы типа 1, которые продемонстрировали релевантные для задачи фазовые изменения активности (74%; n = 14/19), были либо фазически возбуждены, либо ингибированы входом сахарозного порта, при этом небольшое количество также демонстрирует фазовое ингибирование прогностической подсказки (Цифры 3B, 3C и 3G). Напротив, блоки типа 2 были более разнородными: чувствительные к задачам нейроны выборочно кодируют сигнал (35%), порт-вход сахарозы выборочно (26%) или запись вызова и порта (12%); Цифры 3D, 3E и 3H). Чтобы проиллюстрировать силу откликов модулей типа 1 и типа 2 на события, связанные с задачей, мы построили каждую ячейку на трехмерном графике в соответствии с оценкой Z (фигура 3Я). Чтобы показать распределение фазовых изменений при стрельбе по нескольким связанным с задачами событиям на качественном уровне, мы нанесли на график количество ячеек каждого типа фотоответа, попавших в данную категорию (фигура 3J).

Учитывая четко определенную роль VTA в ошибке предсказания вознаграждения (например, поэтапное снижение срабатывания нейронов DA в ответ на неожиданное упущение вознаграждения и фазовое возбуждение в ответ на неожиданную доставку вознаграждения) (Schultz et al., 1997), мы исследовали, могут ли нейроны ЛГ кодировать неожиданное упущение сахарозы. Для этого мы записали нейронную активность светочувствительных нейронов во время той же задачи с сигналом-вознаграждением у хорошо обученных животных, но случайным образом пропустили 30% доставок сахарозы после сигнала (фигура 4А).

Большинство единиц типа 1 (88%; n = 15/17, биномиальное распределение, p = 0.001) были нечувствительны к упущению вознаграждения (Цифры 4B и 4D), тогда как большая подгруппа единиц типа 2 (67%; n = 12/18) показала существенно разную реакцию на испытания с вознаграждением и без вознаграждения (Цифры 4C и 4D). Мы пришли к выводу, что нейроны LH-VTA (тип 1) кодируют действие входа в порт, поскольку эти ответы на вход в порт были постоянными даже после пропуска вознаграждения (фигура 4D), в отличие от единиц типа 2 (хи-квадрат = 10.9804, p = 0.0009).

Чтобы определить, действительно ли ответы типа 1 на вход в порт кодируют условный ответ (CR), в отличие от общего поведения поиска вознаграждения или исследовательского поведения, мы зарегистрировали у нетренированных мышей, которые еще не получили задачу. На наивных мышах мы доставили сахарозу в порт в отсутствие прогнозирующего сигнала (непредвиденная награда за доставку) и обнаружили, что устройства типа 1 не показывают фазовые ответы на вход в порт (Цифры 4E, 4F и 4I), в соответствии с моделью, согласно которой нейроны типа 1 кодируют CR (фигура 4J).

Далее, чтобы определить, соответствует ли активность подразделения типа 2 профилю ответа, подобному ошибке предсказания вознаграждения, мы также записали эти нейроны у хорошо обученных животных во время непредсказуемой доставки вознаграждения (фигура 4ГРАММ). Мы обнаружили, что подмножество единиц типа 2 реагировало на непредвиденные поставки сахарозы (50%; Цифры 4G-4I). Взятые вместе, подмножества единиц типа 2 чувствительны к неожиданному пропуску вознаграждения (Цифры 4C и 4D) и непредвиденная награда доставки (Цифры 4G – 4I), в соответствии с профилем ответа, похожим на ошибку предсказания вознаграждения.

Как мы показали выше, единицы измерения типа 1 представляют собой нейронный коррелят CR. Важно отметить, что увеличение скорости стрельбы начинается до CR, увеличиваясь до тех пор, пока CR не будет завершено (Цифры 3B, 3C и 4Б). Чтобы определить, может ли активация пути LH-VTA стимулировать CR, мы хотели проверить способность активации LH-VTA при управлении CR в условиях негативного последствия. У мышей дикого типа мы экспрессировали ChR2-eYFP или eYFP отдельно в теле клеток LH и имплантировали оптическое волокно над VTA (Цифры 5A и S4). И наоборот, чтобы проверить роль пути LH-VTA в опосредовании CR или поведения, связанного с кормлением, мы двусторонне экспрессировали только NpHR-eYFP или eYFP в клетках LH и имплантировали оптическое волокно над VTA (Цифры 5A и S4).

Мы разработали задачу кондиционирования Павлова, в которой мышам, лишенным пищи, приходилось пересекать шоковую сетку, чтобы получить награду за сахарозу (фигура 5Б). В первую «базовую» эпоху (с отключенной сеткой разряда) мы убедились, что каждая мышь освоила задачу условного подхода Павлова. Во второй («шоковой») эпохе ударная сетка каждую секунду производила легкие удары ногами. Наконец, в третью эпоху («Шок + свет») мы продолжали наносить удары ногами, но также освещали LH-терминалы в VTA синим светом (10 Гц) у мышей, экспрессирующих ChR2, и соответствующие элементы управления eYFP и желтый свет (постоянный) для мыши, экспрессирующие NpHR, и их контроль eYFP (фигура 5Б).

Мы наблюдали значительно большее количество входов в порт на одну реплику в эпоху Shock + Light и значительно более высокую оценку различий (Shock + Light эпоха - только Shock эпоха) у мышей ChR2 по сравнению с мышами eYFP (фигура 5C и Фильм S1). Напротив, фотоингибирование пути LH-VTA приводило к значительному уменьшению количества входов в порт по метке и разнице у мышей NpHR по сравнению с мышами eYFP (фигура 5D и Фильм S2). Эксперименты по вымиранию в течение сеанса, во время которых за репликами-сигналами не следовали поставки сахарозы, показали сходные тенденции в действии (Рисунок S4).

Важно отметить, что мы хотели определить, были ли изменения в поиске сахарозы, которые мы получили, вызваны изменениями в поведении, связанном с кормлением, или чувствительностью к боли. Мы наблюдали, что фотоактивация проекции LH-VTA значительно увеличивала время, затрачиваемое на кормление у сытых мышей в группе ChR2 (фигура 5E). Однако фотоингибирование пути LH-VTA существенно не уменьшало кормление (фигура 5F), хотя эти животные были лишены пищи, чтобы усилить нашу способность обнаруживать снижение относительно базовой эпохи (по сравнению с насыщенными животными в фигура 5E). Ни в ChR2 (фигура 5G) ни группа NpHR (фигура 5H) наблюдали ли мы разницу в латентном периоде отрыва хвоста от горячей воды (Ben-Bassat et al., 1959, Grotto and Sulman, 1967), указывая на то, что манипулирование проекцией LH-VTA не влияло на обезболивание.

Чтобы изучить состав компонентов быстрой передачи входов ЛГ в VTA, которые вызывали эти эффекты, мы выполнили записи патч-кламп целых клеток от нейронов VTA в препарате острого среза, оптически активируя входы LH, экспрессирующие ChR2-eYFP (Цифры 6A и S5). Учитывая, что внутри VTA существует четко установленная гетерогенность, включая ~ 65% нейронов DA, ​​~ 30% нейронов ГАМК и ~ 5% нейронов глутамата (Margolis et al., 2006, Nair-Roberts et al., 2008, Yamaguchi et al. al., 2007), мы заполняли клетки биоцитином во время записи, чтобы позволить идентифицировать тип клеток с помощью апостериорной иммуногистохимии для тирозингидроксилазы (TH; фигура 6B), в дополнение к регистрации активированного гиперполяризацией тока катиона (I_h) и отображение местоположения ячейки (Цифры 6Группа S5).

Во-первых, мы записали в токовом зажиме во время фотостимуляции ChR2-экспрессирующие входы LH и обнаружили, что 23 нейронов 27 показали синхронизированную реакцию на фотостимуляцию входов LH (фигура 6С). Большинство нейронов DA, ​​отобранных в VTA, получали чистый возбуждающий вклад от LH (56%), тогда как другое подмножество показало чистое ингибирование (30%; фигура 6С). Пространственное распределение этих DA нейронов отображается на атласе для горизонтальных срезов, содержащих VTA (фигура 6D).

Чтобы установить моносинаптический вклад входов ЛГ в нейроны VTA DA, мы использовали картирование цепей с помощью ChR2, где записи с фиксацией напряжения выполнялись в присутствии тетродотоксина (TTX) и 4-аминопиридина (4AP; Petreanu et al., 2007) . В соответствии с нашими наблюдениями из записей токового зажима, мы наблюдали, что большинство записанных нейронов VTA DA получали исключительно возбуждающий моносинаптический ввод от ЛГ (67%), по сравнению с нейронами VTA DA, которые получали исключительно тормозной моносинаптический ввод (11%), или оба (22%; Цифры 6E и S6).

Мы идентифицировали нейроны VTA GABA, вводя Cre-зависимый флуорофор (AAV₅-DIO-mCherry) в VTA мышей VGAT :: Cre и использовал экспрессию mCherry для управления записью нейронов VTA GABA (n = 24; фигура 6F). Сорок шесть процентов нейронов VTA GABA отвечали чистым возбуждением, тогда как 54% отвечали чистым ингибированием на фотостимуляцию ChR2-экспрессирующих входов LH (фигура 6Г). Пространственное распределение этих клеток показано в фигура 6H. Изучив моносинаптический ввод от ЛГ (как описано выше), мы обнаружили, что 18% отобранных нейронов ГАМК получали исключительно возбуждающий ввод, а 9% получали исключительно ингибирующий ввод (фигура 6Я). Однако по сравнению с нейронами VTA DA мы обнаружили, что большее количество нейронов VTA GABA получали как возбуждающую AMPAR-опосредованную, так и ингибирующую GABA._AR-опосредованный моносинаптический вход от ЛГ (73%; хи-квадрат = 5.0505, p = 0.0246; Цифры 6я и S6).

Учитывая, что наши записи ex vivo предоставили доказательства, подтверждающие надежный вклад как ГАМКергических, так и глутаматергических проекций ЛГ в VTA, мы затем исследовали роль каждого компонента независимо. Для этого мы использовали линии трансгенных мышей, экспрессирующие Cre-рекомбиназу в нейронах, которые экспрессировали везикулярный транспортер глутамата 2 (VGLUT2) или везикулярный транспортер ГАМК (VGAT). Мы ввели AAV₅-DIO-ChR2-eYFP или AAV₅-DIO-eYFP в LH мышей VGLUT2 :: Cre и VGAT :: Cre и имплантировали оптическое волокно над VTA (Рисунок S7). Затем этих животных запускали в каждом из поведенческих анализов, показанных на фигура 5.

Мы не наблюдали каких-либо обнаруживаемых различий в количестве записей портов, сделанных за реплику между мышами, экспрессирующими ChR2 или eYFP в LH^{перенасыщение}-VTA проекция (фигура 7А) или в ЛГ^GABA-VTA проекция (фигура 7Б). Однако после видеоанализа мы заметили аномальное поведение в ЛГ^GABA-VTA: группа ChR2 при освещении синим светом (см. Фильмы S3 и S4). В ЛГ^{перенасыщение}-VTA мышей, хотя в группе ChR2 наблюдалась тенденция к снижению кормления при фотостимуляции по сравнению с группой eYFP, это не было статистически значимым (фигура 7С). Напротив, мы наблюдали значительное увеличение времени, затрачиваемого на кормление у насыщенных мышей при освещении в ЛГ.^GABA-VTA: группа ChR2 относительно контролей (фигура 7D и Фильм S3). Ни в одной группе животных не было эффекта светостимуляции в анализе удаления хвоста (Цифры 7E и 7F).

Во время задачи кормления, как и во время задачи по поиску сахарозы, мы снова заметили аберрантные двигательные последовательности, связанные с кормлением, которые не были направлены на пищу. Мы снимали репрезентативную мышь в ЛГ^GABA-VTA: группа ChR2 в пустой прозрачной камере и при фотостимуляции 20 Гц мы наблюдали необычные двигательные последовательности аппетита, такие как облизывание и грызение пола или пустого пространства (Фильм S4). Мы количественно оценили эти «грызущие» поведения во время задачи кормления в LH-VTA дикого типа (фигура 7Г), ЛГ^{перенасыщение}-VTA (фигура 7H) и LH^GABA-VTA (фигура 7Я) группы и показали, что ЛГ^GABA-VTA: мыши ChR2 грызли больше, чем дикий тип или LH^{перенасыщение}-VTA: мыши ChR2 при фотостимуляции по сравнению с их соответствующими группами eYFP (фигура 7J). Мы рассмотрели, может ли аберрантное поведение, связанное с кормлением, быть отделено от надлежащим образом направленного кормления на более низких частотах. Тем не менее, когда мы проверили LH^GABA-VTA: группа ChR2 с последовательностями синего света 5 Гц и 10 Гц, мы наблюдали пропорциональную взаимосвязь между частотой стимуляции и кормлением и грызанием (фигура 7K).

Проекция LH на VTA изучалась с помощью исследований столкновений с электрической стимуляцией (Bielajew and Shizgal, 1986) и долгое время выдвигалась гипотеза о том, что она играет роль в обработке вознаграждений (Hoebel и Teitelbaum, 1962, Margules and Olds, 1962), но пока точно указывает Роль была проблемой. Здесь мы предоставляем подробное описание того, как отдельные компоненты цикла LH-VTA обрабатывают различные аспекты задачи, связанной с вознаграждением.

Благодаря использованию оптогенетически-опосредованного фототегирования (фигура 1), мы определили две отдельные популяции нейронов LH: клетки, которые посылают проекции в VTA (тип 1) и клетки, которые получают обратную связь от VTA (тип 2; фигура 2) - хотя эти группы населения не должны быть взаимоисключающими, поскольку вполне возможно, что нейроны LH могут как отправлять, так и получать входные данные в VTA и из него. Интересно, что мы обнаружили, что относительно немного фотореагирующих нейронов выпало за пределы бимодального распределения, инкапсулирующего эти две популяции (Цифры S2Группа 1E). Учитывая это, в сочетании с большой латентной задержкой фотоответов 2-го типа (~ 100 мс), мы предполагаем, что может существовать один доминирующий путь, способствующий активности нейронов 2-го типа. Кроме того, поскольку DA связывает рецепторы, связанные с G-белком, кинетика медленнее, чем у большинства глутаматергических синапсов (Girault and Greengard, 2004), и может объяснять этот кластер фотореактивных единиц с латентностью 100 мс. Также возможно, что VTA может обеспечивать косвенную обратную связь через другие дистальные области, через промежуточные области возбуждения, такие как миндалевидное тело, или с растормаживанием через прилежащее ядро ​​(NAc) или ядро ​​ложа терминальной полоски (BNST).

Интересно, что в то время как фотостимуляция единиц типа 1 вызывает возбуждающие реакции в единицах типа 2, единицы типа 1 и 2 демонстрируют различные свойства кодирования поведения. Например, количество единиц Типа 1 и Типа 2, которые выборочно кодируют сигнал прогнозирования вознаграждения, значительно различаются (n = 0/19 Тип 1 против n = 12/34 Тип 2, хи-квадрат = 8.67, p = 0.003) . Этот парадоксальный образец реакции может быть связан с вычислительными процессами в промежуточном элементе схемы, таком как VTA, который может играть активную роль во время поведенческой задачи, но неактивен во время фотометки. Кроме того, поведение животного может влиять на то, как обрабатываются эти данные.

Наши эксперименты с пропущенными наградами позволили нам провести различие между LH-нейронным кодированием CR и потреблением безусловного стимула (US). В этих экспериментах подмножество юнитов типа 2 реагировало на сигнал с предсказанием награды (CS) и США, а также показало снижение скорости стрельбы, когда ожидаемые награды были опущены. Кроме того, подмножество единиц Типа 2 также показывает фазическое возбуждение при неожиданной доставке вознаграждения (Цифры 4G и 4H). Эти данные напоминают то, как нейроны DA в VTA кодируют ошибку предсказания вознаграждения (Cohen et al., 2012, Schultz et al., 1997). Мы предполагаем, что нейроны VTA могут передавать сигналы ошибки предсказания вознаграждения подмножеству нейронов LH, которые хорошо расположены для интеграции этих сигналов для определения соответствующего поведенческого выхода. В частности, ЛГ прочно взаимосвязан с множеством других областей мозга (Berthoud and Münzberg, 2011) и причинно связан с гомеостатическими состояниями, такими как сон / возбуждение и голод / сытость (Carter et al., 2009, Jennings et al. , 2013).

Компульсивное стремление к вознаграждению в первую очередь обсуждалось в контексте наркомании, где классическая парадигма компульсивного поиска наркотиков заключалась в изучении степени, в которой поведение, связанное с поиском наркотиков, сохраняется перед лицом негативных последствий, таких как шок стопы. (Белин и др., 2008 г., Пеллу и др., 2007 г., Вандершурен и Эверитт, 2004 г.). Мы адаптировали эту задачу для поиска сахарозы, чтобы мы могли исследовать, была ли активация пути LH-VTA достаточной для стимулирования компульсивного поиска сахарозы. Учитывая, что четкое различие между лекарством и естественным вознаграждением состоит в том, что вознаграждение в виде наркотиков не является необходимым для выживания, существуют разногласия относительно того, какое поведение будет составлять компульсивное поведение, связанное с потреблением сахара или едой. Альтернативная интерпретация наших данных состоит в том, что активация пути LH-VTA просто увеличивает мотивационный драйв или желание искать подкрепления аппетита. Поскольку в последние десятилетия уровень ожирения увеличился (Mietus-Snyder and Lustig, 2008), компульсивное переедание и сахарная зависимость являются распространенными состояниями, которые представляют серьезную угрозу для здоровья человека (Avena, 2007). Поведение при приеме пищи у сытых (полностью накормленных) мышей после активации пути LH-VTA напоминает пищевое поведение, наблюдаемое у людей с диагнозом компульсивное переедание (или расстройство переедания) (DSM-V).

Было высказано предположение, что повторяющиеся действия приводят к формированию привычек, которые сами по себе приводят к навязчивому поиску вознаграждения, которое характеризует зависимость (Everitt and Robbins, 2005). Наш вывод о том, что нейроны LH-VTA кодируют вход в порт только после подготовки, предполагает, что этот путь избирательно кодирует условный ответ, а не только мотивированное действие. Это согласуется с нашими наблюдениями о том, что оптическая активация этой проекции может способствовать навязчивому поиску вознаграждения перед лицом негативных последствий (фигура 5В), а также при отсутствии необходимости (как видно у насыщенных мышей, фигура 5E). Эта интерпретация дополнительно подтверждается нашим открытием, что фотоингибирование пути LH-VTA избирательно уменьшает навязчивый поиск сахарозы (фигура 5D), но не снижает кормление мышей с ограничением пищи (фигура 5F). Одной из самых серьезных проблем в лечении компульсивных расстройств переедания или переедания является риск ухудшения пищевого поведения в целом. С точки зрения трансляции, мы, возможно, определили конкретный нейронный контур в качестве потенциальной цели для разработки терапевтических вмешательств для навязчивого переедания или сахарной зависимости без ущерба для естественного пищевого поведения.

Мы показываем, что в дополнение к глутаматергическому компоненту LH-VTA (Kempadoo et al., 2013), существует также значительный ГАМКергический компонент в проекции (Leinninger et al., 2009), и что синапсы нейронов LH непосредственно на DA и ГАМК нейроны в VTA (фигура 6). Тем не менее, существует разница в балансе возбуждающего / ингибирующего воздействия на VTA DA и GABA нейроны

Хотя мы использовали иммуногистохимическую обработку для проверки идентичности VTA нейронов, мы также измерили I_h, активируемый гиперполяризацией внутренне выпрямляющий неспецифический катионный ток (Lacey et al., 1989, Ungless and Grace, 2012). Наличие этого тока широко используется в электрофизиологических исследованиях для идентификации DA нейронов, но было показано, что он присутствует только в субпопуляциях DA нейронов, очерченных проекционной мишенью (Lammel et al., 2011). Хотя ранее в обзоре Филдса и его коллег предлагалось, что «нейроны LH синапсируются с проекциями VTA на PFC, но не с проекциями на NAc» (Fields et al., 2007), наши данные предполагают, что это противоречие будет возобновлено. для дальнейшего расследования. Несмотря на то, что мы наблюдали подмножество нейронов DA, ​​которые получали общее возбуждение от LH и обладали очень маленьким I_h (в соответствии с mPFC- или NAc-медиальными выступающими в оболочку нейронами DA), мы также наблюдали подмножество DA-нейронов, которые получали чистый возбуждающий вход и показали большой I_h (согласуется с характеристиками DA нейронов, выступающих в латеральную оболочку NAc; Рисунок S5; Lammel et al., 2011). Напротив, нейроны VTA DA, получившие чистый тормозящий вход, показали очень маленькую I_h или отсутствовал этот ток, что согласуется с представлением о том, что LH посылает преимущественно тормозной сигнал на нейроны VTA DA, проецирующиеся на mPFC или медиальную оболочку NAc. Мы также показываем, что входы LH могут наблюдаться как в медиальном, так и в латеральном VTA, предполагая, что LH обеспечивает входы в VTA нейроны с различными мишенями проекции, поскольку известно, что цель проекции VTA в некоторой степени соответствует пространственному расположению вдоль медиально-латеральной оси ( Lammel et al., 2008).

Роль пути LH-VTA в стимулировании вознаграждения ранее приписывалась глутаматергической передаче в VTA (Kempadoo et al., 2013), поскольку промотор CaMKIIα часто считается селективным для возбуждающих проекционных нейронов. Однако наши данные ясно показывают, что экспрессия ChR2 под контролем промотора CaMKIIα также нацелена на ГАМКергические проекционные нейроны в LH (фигура 6).

Поведение, вызванное фотостимуляцией ЛГ^GABAПуть VTA был бешеным, неправильно направленным и дезадаптивным (Фильм S4). Одна интерпретация заключается в том, что активация ЛГ^GABA-VTA путь посылает сигнал мыши, который вызывает распознавание аппетитного усилителя. Альтернативная интерпретация заключается в том, что ЛГ^GABA-Путь VTA может стимулировать значимость стимула или интенсивное «желание», что согласуется с сигналом, лежащим в основе условного подхода, но на нефизиологическом уровне, который вызывает такое ненормальное поведение, связанное с кормлением (Berridge and Robinson, 2003). В соответствии с этим, возможно, что активация ЛГ^GABA-Проекция VTA на самом деле вызывает сильное чувство тяги или побуждения к кормлению. Однако наши эксперименты показывают, что активация ЛГ^GABA-VTA не вызывает увеличения компульсивного поиска сахарозы, но это, вероятно, связано с чрезмерным грызуном и аберрантным поведением аппетита, сфокусированным на непищевых объектах в испытательной камере. Несмотря на то, что трудно определить опыт работы мыши во время этой манипуляции, ясно, что надлежащим образом направленное поведение, связанное с кормлением, требует скоординированной активации как ГАМКергического, так и глутаматергического компонентов пути LH-VTA.

Оптогенетические и фармакогенетические манипуляции являются мощными инструментами для установления причинно-следственных связей, однако они не раскрывают эндогенных, физиологических свойств элементов нервной цепи. Наше исследование объединяет информацию о синаптической связности, естественной эндогенной функции и причинной роли пути LH-VTA, предоставляя новый уровень понимания того, как информация интегрируется в эту цепь. Эти результаты подчеркивают важность изучения функциональной роли нейронов по связности, в дополнение к генетическим маркерам. Нейроны LH-VTA избирательно кодируют действие поиска награды, но не кодируют стимулы окружающей среды, тогда как поощрительные стимулы и сигналы с предсказанием вознаграждения кодируются дискретной популяцией нейронов LH ниже по течению от VTA. Кроме того, мы определили конкретный прогноз, который причинно связан с компульсивным поведением по поиску сахарозы и кормлением. Неоднородность в проекции LH-VTA необходима для обеспечения адаптивного баланса между движущей мотивацией и регулированием надлежащим образом направленного аппетитного поведения. Эти данные дают представление о патологических состояниях, таких как компульсивное переедание, сахарная зависимость и ожирение.