Prefrontálna kortikálna regulácia dynamiky obvodov v mozgu a odmeňovania (2016)

Veda 1 Január 2016: Vol. 351 č. 6268

DOI: 10.1126 / science.aac9698

abstraktné

Motivácia pre odmeňovanie podnecuje adaptívne správanie, zatiaľ čo zhoršenie vnímania a skúseností odmeňovania (anhedónia) môže prispieť k psychiatrickým ochoreniam vrátane depresie a schizofrénie. Snažili sme sa overiť hypotézu, že mediálna prefrontálna kôra (mPFC) kontroluje interakcie medzi špecifickými subkortikálnymi oblasťami, ktoré riadia hedonické odpovede. Použitím zobrazenia optogenetickej funkčnej magnetickej rezonancie na lokálnu manipuláciu, ale globálne vizualizáciu neurálnej aktivity u potkanov, sme zistili, že stimulácia dopamínových neurónov stimuluje striatálnu aktivitu, zatiaľ čo lokálne zvýšená excitabilita mPFC znižuje túto striatálnu odozvu a inhibuje behaviorálnu stimuláciu dopaminergnej stimulácie. Táto chronická nadmerná aktivita mPFC tiež stabilne potláča prirodzené správanie motivované motiváciou a indukuje špecifické nové mozgové funkčné interakcie, ktoré predpovedajú stupeň anhedónie u jednotlivcov. Tieto zistenia opisujú mechanizmus, ktorým mPFC moduluje expresiu správania, ktoré hľadá odmenu, reguláciou dynamických interakcií medzi špecifickými vzdialenými subkortikálnymi oblasťami.

Spôsob, ako modulovať hľadanie odmeny

Ktoré oblasti mozgu sú kauzálne zapojené do správania súvisiaceho s odmenou? Ferenczi et al. kombinované fokálne, optogenetické manipulácie špecifické pre bunkový typ s zobrazovaním mozgu, behaviorálnym testovaním a in vivo elektrofyziológiou (pozri perspektívu Robbinsa). Stimulácia neurónov dopamínu stredného mozgu zvýšila aktivitu v mozgovej oblasti nazývanej striatum a korelovala s vyhľadávaním odmeny medzi jednotlivými zvieratami. Zvýšená excitabilita oblasti nazývanej mediálna prefrontálna kôra však znížila obidve striatálne reakcie na stimuláciu dopamínových neurónov a behaviorálnu snahu hľadať stimuláciu dopamínových neurónov. Nakoniec, modulácia excitability mediálnych prefrontálnych pyramidálnych neurónov mozgovej kôry viedla k zmenám v synchrónii nervových obvodov, ako aj zodpovedajúcemu anhedonickému správaniu. Tieto pozorovania pripomínajú zobrazovacie a klinické fenotypy pozorované pri depresii u ľudí, závislosti a schizofrénii.

ÚVOD

Úsilie o hľadanie a odmeňovanie skúseností je zachované naprieč druhmi a u cicavcov zahŕňa interakcie medzi subkortikálnymi dopaminergnými systémami a limbickými štruktúrami, ako je striatum. Zhoršenie tohto procesu, pozorované v celom rade psychiatrických stavov, je klinickým príznakom anhedónie (strata pôžitku). Nervové mechanizmy, ktoré sú základom anhedónie, nie sú známe, ale mohli by byť výsledkom abnormálnych interakcií medzi kortikálnymi a subkortikálnymi odmenovými okruhmi. Snažili sme sa otestovať hypotézu, že zvýšená mediálna prefrontálna kortexová (mPFC) excitabilita (klinický znak spojený s anhedóniou) vyvoláva supresívnu kontrolu nad interakciami medzi dvoma vzdialenými subkortikálnymi oblasťami: dopaminergným stredným mozgom a striatom.

ZDÔVODNENIE

Štúdie klinického zobrazovania zistili zvýšenú aktivitu v mPFC u ľudských pacientov s depresiou a liečba je spojená s normalizáciou tejto nadmernej aktivity a zlepšením anhedonických symptómov. Štúdie u ľudí navyše identifikovali oblasti mozgu, ktoré reagujú na očakávania a skúsenosti z odmeňovania, a táto reakcia môže byť potlačená pri psychiatrickom ochorení. Zdroj tohto signálu odmeňovania a mechanizmy jeho modulácie však neboli preukázané. Integrovali sme rôznorodý súbor chronických a akútnych optogenetických nástrojov s funkčným zobrazovaním magnetickou rezonanciou (fMRI), aby poskytli most medzi kauzálnou, bunkovou špecifickosťou optogenetiky hlodavcov a pozorovaniami v mozgu, ktoré charakterizujú neuroimaging ľudí, s cieľom lokálnej manipulácie a globálne. vizualizácia neurálnej aktivity na pochopenie regulácie správania, ktoré hľadá odmenu.

VÝSLEDKY

Demonštrujeme, že stimulácia neurónov dopamínu v strednom mozgu poháňa tak striatálnu aktivitu FMRI v krvi, ako aj aktivitu, ktorá je závislá od odmeny (BOLD) a odmeňovanie, a ukazujú, že tieto faktory sú korelované medzi jednotlivcami. Okrem toho zistíme, že umlčanie dopamínových neurónov potláča aktivitu v striate, rovnako ako v iných oblastiach mozgu (ako je hypotalamus), a riadi vyhýbavé správanie. Po stanovení tejto obojsmernej kontroly správania pri hľadaní odmeny sme potom testovali poruchu tohto obvodu prostredníctvom zvýšenia excitability mPFC. Pozorovali sme potlačenie striatálnych odpovedí na dopamín, ako aj behaviorálnu snahu hľadať stimuláciu dopamínových neurónov a ďalšie prirodzené odmeňujúce stimuly. Nakoniec sme demonštrovali, že stabilne zvýšená excitabilita mPFC synchronizuje kortikolimickú BOLD a elektrofyziologickú aktivitu, ktorá zase môže predpovedať anhedonické správanie u jednotlivých zvierat.

ZÁVER

Naše zistenia z experimentov zahŕňajúcich lokálnu bunkovo špecifickú kontrolu, súčasne s globálnym objektívnym pozorovaním neurálnej aktivity, ukazujú, že mPFC vykazuje zhora nadol kontrolu nad dopaminergnými interakciami stredného mozgu so striatom a že ak je zvýšená, aktivita v mPFC môže potlačiť prirodzenú odmenu správania. Ďalej pozorujeme, že kortikálno-subkortikálna nervová dynamika funguje v zhode na regulácii spracovania odmien. Všetky tieto zistenia majú vplyv na naše chápanie fyziológie a správania súvisiaceho s odmenou, ako aj patogenézu anhedónie.

Optogenetický fMRI bol použitý na lokálnu manipuláciu a globálnu vizualizáciu mozgovej neurálnej aktivity súvisiacej s odmenou. Habituované potkany sa skenovali v stave bdelosti (horné fotografie). Zistili sme, že aktivita striatálneho BOLD je zvýšená optogenetickou stimuláciou dopamínových neurónov a znížená optogenetickým umlčaním neurónov. Preukázali sme, že fokálne zvýšená excitabilita mPFC potláča správanie, ktoré hľadá odmenu tým, že uplatňuje zhora nadol kontrolu nad striatálnym dopamínom indukovanou aktivitou a poháňa synchronizáciu medzi špecifickými kortikolimbickými obvodmi.