Dopamin uppmuntrar belöning som söker genom att främja cue-framkallade excitationer i kärnan accumbens (2014)

J Neurosci. 2014 Oct 22;34(43):14349-64. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.3492-14.2014.

du Hoffmann J1, Nicola SM2.

Abstrakt

Tillvägagångssätt för belöning är ett grundläggande adaptivt beteende, vars störning är ett kärnsymptom för missbruk och depression. Nukleosaccumbens (NAc) dopamin krävs för belönings-prediktiva signaler för att aktivera kraftfull belöningssökande, men den underliggande neurala mekanismen är okänd. Belönings-prediktiva signaler framkallar både dopaminfrisättning i NAc och excitationer och hämningar i NAc-neuroner.

Emellertid har en direkt länk inte etablerats mellan aktivering av dopaminreceptor, NAc-cue-framkallad neuronaktivitet och belöningssökande beteende. Här använder vi en ny mikroelektroderuppsättning som möjliggör samtidig registrering av neuronavbrott och lokal dopaminreceptorantagonistinjektion. Vi visar att i blockering av nukleotider av råttor som utför en diskriminerande stimulansuppgift för sackarosbelöning, dämpar blockering av antingen D1- eller D2-receptorer selektivt excitation, men inte hämning, framkallad av belönings-prediktiva signaler.

Vidare konstaterar vi att denna dopaminberoende signal är nödvändig för belöningssökande beteende. Dessa resultat visar en neural mekanism genom vilken NAc dopamin uppmuntrar miljöbelastat belöningssökande beteende.

Nyckelord: cue-excited neuroner, diskriminerande stimulans, dopamin, nucleus accumbens, belöning söker

Beskrivning

Dopaminprojektionen från det ventrala tegmentala området (VTA) till NAc är en väsentlig del av den neurala kretsen som främjar belöningssökande beteende (Nicola, 2007). Om NAc dopaminfunktion reduceras experimentellt, är djur mindre benägna att utöva ansträngning för att erhålla belöning (Salamone och Correa, 2012) och misslyckas ofta med att svara på belönings-prediktiva signaler (Di Ciano et al., 2001; Yun et al., 2004; Nicola, 2007, 2010; Saunders och Robinson, 2012). Dessa underskott beror på försämring av en specifik komponent i belöningssökande: latensen att initiera beteendebeteende ökas, medan hastigheten på tillvägagångssättet, förmågan att hitta målet och utföra det nödvändiga operativa beteendet som krävs för att tjäna belöning och förmågan att konsumera belöning påverkas inte (Nicola, 2010). Dopamin måste främja tillvägagångssätt genom att påverka aktiviteten hos NAc-neuroner, men arten av detta inflytande är oklart. Stora andelar av NAc-neuroner är upphetsade eller inhiberade av belönings-prediktiva signaler (Nicola et al., 2004a; Roitman et al., 2005; Ambroggi et al., 2008, 2011; McGinty et al., 2013), och excitationerna börjar före inledandet av cued-beteendebeteende och förutsäger latensen att initiera framdrivning (McGinty et al., 2013). Därför har denna aktivitet de egenskaper som krävs av en dopaminberoende signal som främjar cued-tillvägagångssätt, men huruvida det gör det är okänt.

Neuroner i två strukturer som sänder glutamatergiska afferenter till NAc, BLA och dorsalt medial PFCBrog et al., 1993), är upphetsade av belönings-prediktiva signaler (Schoenbaum et al., 1998; Ambroggi et al., 2008) och reversibel inaktivering av någon av dessa strukturer (Ambroggi et al., 2008; Ishikawa et al., 2008) eller av VTA (Yun et al., 2004) minskar storleken av cue-framkallade excitationer i NAc. Dessa observationer tyder på att NAc cue-framkallade excitationer drivs av glutamatergiska ingångar, men utan NAc-dopamin är även dessa starka exciterande ingångar otillräckliga för att driva cue-framkallade eldningsökningar. Denna slutsats är emellertid tuff. Många NAc-neuroner hämmas av signaler (Nicola et al., 2004a; Ambroggi et al., 2011) och det är okänt huruvida excitationer eller hämningar är viktigare för att aktivera beteendebeteende. Vidare kan VTA-inaktivering minska diskriminerande stimulans (DS) -evoked excitationer genom flera dopaminoberoende mekanismer: minskad cue-kodning i BLA och PFC, som mottager prognoser från VTASwanson, 1982); reducerad avfyrning av GABAergic VTA-neuroner som kommer till NAc (Van Bockstaele och Pickel, 1995); eller reducerad frisättning av glutamat från dopaminerga neuroner (Stuber et al., 2010). Slutligen, eftersom VTA-inaktivering minskar inte bara NAc DS-framkallad avfyring, men också DS-framkallat beteendebeteende (Yun et al., 2004), Kan DS excitation vara sekundär snarare än ett nödvändigt villkor för målriktad rörelse.

För att direkt testa rollen av NAc dopamin i cue-evoked firing, utformade vi en ny sond för användning vid uppförande av gnagare: ett cirkulärt elektroduppsättning som omger en central injektionskanyl, vilket möjliggör samtidig registrering av enhetsbränningsaktivitet och infusion av dopaminreceptorantagonister in i det extracellulära utrymmet som omger de inspelade neuronerna (du Hoffmann et al., 2011). Detta arrangemang tillåter oss att etablera kopplingar mellan dopaminreceptoraktivering, NAc-neuronavfyring och belöningssökande beteende: om blockering av NAc-dopaminreceptorer hämmar både cue-framkallade signaler och initiering av tillvägagångssätt skulle detta ge starka bevis på att neuronresponset beror på endogen dopamin och att denna signal krävs för beteendebeteende.

Material och metoder

Djur.

Femton manliga Long-Evan-råttor (275-300 g vid ankomsten) erhölls från Charles River och inrymdes enstaka. En vecka efter deras ankomst hanterades råttor i flera minuter dagligen för 3 d för att habituera dem till försökspersonen. Efter uppställning placerades råttorna på en begränsad diet av 13 g av råttachow per dag. AD libitum mat tillhandahölls för 7 d efter operationen, varefter djur placerades tillbaka på den begränsade kosten. Djurprocedurer var förenliga med National Institutes of Health Guide för vård och användning av laboratoriedjur och godkändes av Institutionen för djurvård och användning av Albert Einstein College of Medicine.

Operantkammare.

Alla beteendexperiment och beteendestudier ägde rum i skräddarsydda plexiglaskammare (40 cm kvadrat, 60 cm hög). Dessa var placerade inuti metallskåp som fungerade som Faraday burar; skåp var fodrade med akustiskt skum och vitt brus spelades kontinuerligt genom en dedikerad högtalare för att minimera hörbarheten av yttre buller inuti kammaren. Operantkammare var utrustade med en belöningsbehållare på en vägg med utdragbara spakar på vardera sidan av den. En fotbalk över behållarens främre del användes för att mäta behållarens inträdes- och utgångstider. Den tidsmässiga upplösningen av beteendekontrollsystemet (Med Associates) var 1 ms.

DS-uppgift.

Djur utbildades på DS-uppgiften enligt förfaranden som liknar dem som tidigare användes (Nicola et al., 2004a,b; Ambroggi et al., 2008, 2011; Nicola, 2010; McGinty et al., 2013). Två ledtrådar presenterades en i taget, antingen en belöningsprognos DS eller en neutral stimulans (NS). Ljudkoderna bestod av en sirenton (som cyklade i frekvens från 4 till 8 kHz över 400 ms) och en intermittent ton (6 kHz ton på i 40 ms, av i 50 ms); tilldelning av en viss ton till DS eller NS slumpmässigt över råttor. Intertriella intervall (ITI) valdes slumpmässigt från en trunkerad exponentiell fördelning med ett medelvärde på 30 s och maximalt 150 s. NS presenterades alltid i 10 s; spakpressar under NS registrerades men hade ingen programmerad konsekvens. "Aktiva" och "inaktiva" spakar tilldelades slumpmässigt till vänster och höger spakar för varje råtta i början av träningen och varierade inte därefter. Ett hävstångssvar på den aktiva hävarmen under DS avslutade köen, och den första efterföljande behållarinmatningen orsakade leverans av 10% sackarosbelöning till en brunn i behållaren. DS-presentationer under vilka djuret inte svarade avslutades efter 10 sekunder. Svar under ITI (mellan köpresentationer) och svar på den inaktiva spaken registrerades men resulterade inte i belöningsleverans. Djur utbildades på DS-uppgiften tills de svarade på> 80% av DS och <20% NS under 2 timmars träningspass.

Kannulerade mikroelektrodesystem.

Efter inledande träning implanterades råttor med kanylerade mikroarrays som bestod av åtta volframmikrolyselektroder som omger en central mikroinjektionsstyrkanyl. Dessa konstruerades och monterades i skräddarsydda mikrodrivor som tidigare beskrivits (du Hoffmann et al., 2011). En fullständig medursursskruv medurs förskjutet elektroderna och kanylen som en enhet ventralt 300 μm (utan sondens rotation), vilket gör att vi kan spela in från flera unika populationer av neuroner i samma djur.

För att implantera de kanylerade arraysna framställdes råttor för operation och placerades i ett stereotaxiskt instrument såsom beskrivits tidigare (du Hoffmann et al., 2011; McGinty et al., 2013). Anestesi inducerades och upprätthölls med isofluran (0.5-3%). Djur fick antibiotikum (Baytril) omedelbart före operationen och 24 h efter operationen. Kannulerade arrays implanterades bilateralt in i den dorsala NAc-kärnan (1.4 mm anterior och 1.5 mm lateral från bregma och 6.5 mm ventral från skallen). Elektroder och mikrodrivor fästes i skallen med benskruvar och dentalakryl och trådobjektorer infördes i ledningskanylerna så att ändarna av obturatorerna spolades med ändarna av styrkanylerna. Efter operationen behandlades hårbotten med Neo-Predef för att förhindra infektion och djuren fick 1-veckan för återhämtning innan man fortsatte med experiment. För analgesi i postkirurgi gavs djur 10 mg / kg av det icke-steroida antiinflammatoriska läkemedlet ketoprofen.

Narkotika.

SCH23390 och racloprid köptes från Sigma. På testdagar framställdes droger nyberedda genom att lösa dem i 0.9% steril saltlösning. Läkemedel administrerades vid doser av 1.1 μg SCH233390 i 0.55 μl saltlösning per sida och 6.4 μg rakloprid i 0.8 μl saltlösning per sida. SCH233390 och racloprid infusionerades över 12 respektive 17.5 min. I pilotförsök fann vi att bilaterala infusioner av racloprid som varade 12 min hade signifikanta men övergående effekter på DS-responsförhållandet. För att förlänga effekten så ökade vi varaktigheten av raclopridinfusionen så att den farmakologiska farmakologiska temporala profilen liknade den hos SCH23390. Endast en bilateral eller ensidig injektion gjordes per inspelningssession (en session per dag). Alla djur fick minst en enda bilateral injektion av en antagonist och en (eller flera) ensidiga antagonistinjektioner. Under några ensidiga antagonistförsök infuserade vi samtidigt saltlösning som en vehikelkontroll kontralateral till halvklotet som fick antagonist.

Mikroinjektion och inspelningsprocedur.

Anordningen för samtidig mikroinjektion och inspelning har tidigare beskrivits (du Hoffmann et al., 2011). Inspelningskabeln som leder från huvudsteget avslutades i en 24-kanals elektrisk kommutator med ett centralt borrhål (Moog), som skickade signalerna till det elektrofysiologiska inspelningssystemet. Två sprutor monterades i en enda sprutpump placerad utanför kammaren; vätskeledningar från sprutorna ledde till en dubbelkanalvätskesvivel (Instech Laboratories) monterad ovanför kommutatorn. Vätskelinjer sjönk ner från sviveln genom kommutatorns borrhål, sprang längs inspelningskabeln och avslutades med två mikroinjektorer på 33 gauge.

Innan inspelningssessionen fylldes mikroinjektorerna med läkemedelslösning och infördes sedan i djurets styrkanyler. Mikroinjektorns spetsar sträckte sig 0.5 mm bortom styrkanylerna så att spetsen på mikroinjektorn låg under elektrodspetsarna och ~ 670 μm från mitten av varje elektrod. Innan återfyllning med läkemedel fylldes vätskeledningarna och mikroinjektorerna med mineralolja, och nivån på det olje-vattenhaltiga gränssnittet markerades för att underlätta post hoc bekräftelse på att läkemedlet injicerades. Slutligen var huvudsteget anslutet till djuret och vätskelinjerna fästes fast till inspelningskabeln för att hålla mikroinjektorerna på plats under experimentets varaktighet. Djur som bereddes på detta sätt fick utföra DS-uppgiften för en baslinjeperiod på minst 45 min, under vilken neural aktivitet registrerades; Därefter slogs sprutpumpen på fjärrkontrollen för att införa drogerna i hjärnan. Injektion krävde inte hantering av djuret eller öppnande av kammardörren, och beteendessessionen fortsatte oavbruten i hela baslinjen, infusions- och postinfusionsperioderna.

Neurala spänningssignaler registrerades med en huvudstegsförstärkare (enhetsförstärkning), förstärkta 10,000-tider och digitaliserades med användning av kommersiell hårdvara och mjukvara (Plexon). Vi registrerade från 379-neuroner i 38 inspelnings- / injektionssessioner i 15-råttor. Av 38-sessionerna kassades 7 på grund av dåligt beteende under preinjektionsperiodens utgång eller eftersom inga neuroner kunde isoleras på ett tillförlitligt sätt. Således fokuserade vår neurala analys på 31 inspelnings- / injektionssessioner där vi registrerade från 322 väl isolerade neuroner i 12-råttor. Efter varje inspelnings- / injektionssession var mikrodrivan som bär elektrodens arrays avancerad ~150 μm (en halv vrid på mikrodrivskruven) för att flytta elektroderna ventralt för att spela in från en ny population av neuroner. Om få (eller inga) neuroner observerades, var matrisen avancerad varannan dag tills neuroner detekterades.

Analys.

Data delades in i preinjektions-, postinjektions- och återhämtningstider, vilka definierades som 45-min före infusion av antagonisterna, 40-minen som börjar med injektionsänden och den sista 33-min (2000 s) av varje session (som varade totalt 2-3 h). Efterinjektionsperioden motsvarar den tid då läkemedlen har sina största beteendeeffekter när de injiceras bilateralt (Fig 1C).

Figur 1. 

Effekter av dopaminreceptorantagonister på DS-cued-beteendebeteende. A, Schematisk av DS-uppgiften. B, Median (punkt) och mittenkvartiler (vertikala linjer) av DS (orange) och NS (blå) svarsförhållanden under preinjektionsperioden för alla beteendessessioner .

Isolering av enskilda enheter utfördes offline med Offline Sorter (Plexon) med användning av huvudkomponentanalys. Endast enheter med väldefinierade vågformer (> 100 μV) som tydligt skiljer sig från bullernivåer (<20–50 μV) inkluderades i efterföljande analyser. Interspike-intervallfördelningar och korskorrelogram användes för att säkerställa att enskilda enheter var väl isolerade från varandra och från bakgrundsbrus (Neural Explorer-programvara; Nex-Tech). Tidsstämplar för verifierade spikar analyserades med anpassade rutiner i R-mjukvarumiljön. Peristimulus tidshistogram konstruerade runt DS och NS, i 50 ms tidsfack, användes för att kvantifiera och detektera cue-framkallade excitationer i Figurer 2A, , 3,3, , 4,4, , 55A, , 66A, , 77A, , 88Aoch and1010VÄXELSTRÖM. För att bestämma huruvida en neuron uppvisade en signifikant DS-framkallad excitation, beräknades Poisson-sannolikhetsfördelningsfunktionen för 10s baslinjeperiod före varje cue. En neuron betraktades som DS upphetsad om den uppvisade genomsnittliga spiktal över det övre 99% konfidensintervallet för fördelningen av baslinjespinnningshastigheten i en eller flera 50 ms-flaskor mellan 50 och 200 ms efter cue start. För neuroner med signifikanta DS-framkallade excitationer i preinjektionens baslinjeperiod erhölls den genomsnittliga avfyringshastigheten i 50 ms-kassetter som var låst för DS och NS-start för varje period i varje session och medel- och medianenFig. 2C-E, , 55A, , 66A, , 77A, , 88A, , 1010B,C) bränningshastigheter över neuroner jämfördes. Eftersom neuroner med statistiskt detekterbar NS excitation var nästan alltid upphetsad av DS [visas inte, men rapporterades tidigare (Ambroggi et al., 2011)] analyserade vi NS-svar för alla neuroner med ett signifikant DS-svar. Om inte annat anges, använde alla statistiska jämförelser in-neuron Wilcoxon rank summa test.

Figur 2. 

DS-framkallade excitationer förutsäger efterföljande belöningssökande beteende och kodar närhet till hävarmen. A, Genomsnittliga förinställda peri-händelsestidshistogrammer inriktade på början av DS (orange spår) eller NS (blå spår) för 145-neuroner med signifikant excitatorisk .
Figur 3. 

Exempel neuroner visar att D1 och D2-antagonister minskar DS-framkallad excitation. Raster och motsvarande histogram visar eldningen av fyra olika DS-exciterade neuroner inriktade på DS-start. Data är från de senaste 40-försöken strax före starten .
Figur 4. 

Effekterna av bilateral dopaminantagonistinjektion på cue-framkallad excitation förutspår beteendeeffekterna i en försök-för-försöksbasis. A, C, Test-by-trial-analys av neuronal kodning av råttans latens för att nå spaken för samma neuroner som visas .
Figur 5. 

D1-receptoraktivering krävs för DS-framkallad excitation. APeri-event-tidshistogrammen inriktade på DS-start för neuroner med signifikant DS-framkallad excitation under preinjektionsperioden. Spår och moln anger den genomsnittliga ± SEM-avfyringshastigheten .
Figur 6. 

D2-receptoraktivering är nödvändig för DS-framkallad excitation. APeri-event-tidshistogrammen inriktade på DS-start för neuroner med signifikant DS-framkallad excitation under perioden före raclopridinjektion. DS-framkallade excitationer reducerades med bilaterala .
Figur 7. 

D1-receptoraktivering är inte nödvändig för NS-framkallad excitation. A, Peri-event-tidshistogrammer inriktade mot NS-start för neuroner med signifikant DS-framkallad excitation under preinjektionsperioden. Dessa populationer överlappar helt och hållet samma neuroner .
Figur 8. 

D2-receptoraktivering är nödvändig för NS-framkallad excitation. A, Peri-event-tidshistogrammer inriktade mot NS-start för neuroner med signifikant DS-framkallad excitation under preinjektionsperioden. NS excitation reducerades i de bilaterala och ipsilaterala förhållandena .
Figur 10. 

Salininfusion påverkar inte DS- eller NS-framkallad excitering, och ingen D1- eller D2-receptoraktivering krävs för att upprätthålla baslinjens bränningshastighet. A, Singel DS-exciterad neuron inspelad under salininfusion. Konventioner är identiska med dem .

För Figur 4, bestämde vi om effekterna av bilateral antagonistinjektion på latensen för att nå spaken var korrelerade med effekterna av antagonisterna på storleken av DS-framkallad excitation på en rättegångsbasis. Först beräknade vi den genomsnittliga avfyrningshastigheten från 100 till 400 ms efter DS-debut i varje försök för alla inspelade neuroner som uppvisade signifikant DS-excitation före bilateral infusion av antagonisterna. Därefter beräknade vi för varje neuron Spearmans rangkorrelationskoefficient jämförande prövning-för-rättegångens storlek av DS-framkallad excitation och latens hos råttan för att nå spaken vid motsvarande försök. Dessa korrelationer ritades i histogram i Figur 4B,D. Alla DS-försök inkluderades i denna analys; Om djuret inte tryckte på hävarmen var en latens av 10 s (maximal längd på cue-presentation) tilldelad den provningen. Vi beräknade dessa korrelationskoefficienter för preinjektionsperioden enligt definitionen ovan; Vi förlängde postinjektionsperioden med 1000 s för att få en bredare provtagning av latenser vid försök där djuren svarade efter bilateral infusion. För att bedöma betydelsen av de enskilda korrelationerna använde vi en tvåstjärtad asymptotisk t-approximation eftersom en exakt p Värdet kan inte beräknas när band finns i rangdata. Sedan använde vi parade Wilcoxon-tester för att jämföra medianerna av fördelningen av korrelationskoefficienter före och efter antagonistinfusion.

Eftersom NAc-neuroner har låga baslinjebränser med lägre gränser för konfidensintervallet, som ofta sträcker sig över noll, är inhiberingar mycket svårare att detektera och kvantifiera än excitationer. Således utöver förfarandet som beskrivits ovan, som användes för detektering av excitation, användes också mottagaroperationskarakteristisk (ROC) -analys, en mer känslig metod, för att kvantifiera sannolikheten för att avfyringshastigheten i efterföljande 50-ms-tid lagrar efter cue start var annorlunda än avfyrningsgraden i 10s precila baslinje. Denna analys utfördes separat för preinjektions- och postinjektionsperioder. För varje bin beräknade vi området under ROC-kurvan (AUC); AUC-värdena för 0.5 indikerar ingen skillnad från exakt avfyring, medan värden närmare 0 eller 1 indikerar större sannolikhet för att neuronen hämmas eller exciteras. För att på ett opartiskt sätt avbilda den post-neurala aktiviteten över hela populationen av inspelade neuroner beräknades avfyringshastigheter och AUC-värden för 50 ms-flaskor; För att släta ut data blev arkiverna avancerade av 10 ms för successiva AUC-beräkningar. De släta AUC-värdena plottades sedan som värmekartor med 10 ms upplösning (med varje värde som representerar AUC i nästa 50 ms) i Figurer 5B, , 66B, , 77B, , 88Boch and1010D,E.

Därefter kvantifierade vi huruvida AUC-värden, beräknade i icke-överlappande 50 ms-lager, återspeglade en signifikant skillnad i avfyrning. För varje fack genererade vi först 10,000 0.05 startade AUC-värden från slumpmässiga blandningar av den föregående baslinjens avfyrningshastighet och avfyringshastigheten i motsvarande efterkorgsfack. Vi bestämde sedan den tvåsidiga sannolikheten att det faktiska AUC-värdet togs från fördelningen av bootstrapped-värden; om sannolikheten var <XNUMX ansåg vi att avfyringen i soptunnan skiljer sig avsevärt från tidigare baslinje. Slutligen räknade vi antalet neuroner med avfyrningshastigheter i varje fack som var signifikant större än eller mindre än den föregående baslinjefyrningen och plottade dessa värden som fraktioner av den totala befolkningen (Fig. 5C, , 66C, , 77C, , 88C, , 99B,D, , 1010F,G).

Figur 9. 

Neural aktivitet som är inriktad på att belöna behållarens inträde påverkas inte av ipsilateral eller kontralateral D1 eller D2-antagonistinjektion. A, C, ROC AUC-värden beräknas och visas enligt beskrivningen i Figur 5B, förutom att tidsfack är längre (200 ms) och inriktad .

För att jämföra proportionerna av neuroner upphetsade eller inhiberade i preinjektions- och postinjektionsperioderna använde vi en datareduceringsmetod. Först beräknade vi bråkdelen av 50 ms-rutor mellan 0 och 1 s efter cue start där varje neuron uppvisade signifikant excitation eller inhibering. Därefter jämförde vi dessa fraktioner i preinjektions- och postinjektionsperioderna med ett parat Wilcoxon-test. Neuroner som inte uppvisade signifikant modulering i någon behållare i både förinjektions- och postinjektionsperioder uteslutes från denna analys och ingick inte i diagrammen som visar medianfraktionen av signifikanta lagerplatser (punkt- och vispods på höger sida av varje del i Fig. 5C, , 66C, , 77C, , 88C, , 1010F,G). Detta förfarande eliminerade påverkan av den stora populationen av neuroner utan någon skillnad i aktivitet mellan fönstret efter DS och före-DS-baslinjen; den här populationen är av ringa intresse, men bidrar fortfarande till ett stort antal nullvärden som förskjuter medianantalet signifikanta fack mot 0 och döljer både minskningar och ökar i fraktionen av signifikanta lager efter infusion.

Liknande analyser utfördes för konsumtionsrelaterad avfyrning som inträffade efter inträde i belöningsbehållaren. Djur tenderade att stanna kvar i behållaren i> 5 s; därför, för att fånga dessa relativt långa tidsintervall visar vi resultaten med 200 ms lager (Fig 9). Tidsfönstret för att jämföra proportioner av neuroner som var upphetsade i preinjektions- och postinjektionsperioderna var från 0 till 1.5 s, medan det var från 0 till 5 s för inhiberingar; Ett kortare analysfönster användes för excitationer eftersom de tenderade att vara mer övergående. ROC-analyser utfördes på Albert Einstein College of Medicine High Performance Computing Cluster med hjälp av pROC-paketet för R.

För att jämföra "baseline" -frekvenser som inträffade utanför uppgiftshändelser jämförde vi den genomsnittliga avfyrningsgraden i 10 s-flaskor före varje DS-förinjektion och efterinjektion av antagonisterna. Denna procedur är funktionellt ekvivalent med slumpmässig provtagning av baslinjens bränningshastighet eftersom DSs presenteras med nästan lika stor sannolikhet när som helst under en beteendessession. Neuroner klassificerades som uppvisande signifikant DS-framkallad excitation (före läkemedelsinfusion) eller ej, och sedan jämfördes baslinjens bränningshastigheter i preinjektions- och postinjektionsperioderna inom dessa grupper med ett parat Wilcoxon-test (Fig 10H,I). Vi utförde också en linjär passform för DS-upphetsade neuroner och jämförde höjden av denna linje till enhällslinjen (1-lutningen).

Om flera jämförelser gjordes på delmängder av data som kom från samma ämne (Fig. 2C-E, , 55A,C, , 66A,C, , 77A,C, , 88A,C, , 99B,D, , 1010B,C,F,G), p värden korrigeras Bonferroni; dvs p värdet multiplicerades med antalet jämförelser som gjordes. Rättad p värden ansågs betydande om p <0.05. Alla korrigeringar gjordes med faktorn 3 förutom Figur 2C-E, där faktorn var 2.

Videospårning.

I en delmängd av experiment mättes råttans position med en överliggande kamera (30 bilder / s) och datoriserat spårningssystem (Cineplex; Plexon). Systemet spårade x och y positioner av två olika färgade lysdioder anslutna till inspelningshuvudet. Som tidigare beskrivits (McGinty et al., 2013), beräknade vi en centroid som beskriver mittpunkten mellan LED-positioner för varje videoram. Saknade datapunkter upp till tio på varandra följande ramar fylldes in med linjär interpolering; i de sällsynta fall där> tio bilder saknades kasserades data. För varje videoram beräknade vi SD av avstånd mellan centroids position i den ramen och i ett tidsfönster ± 10 ms. Dessa SD-mätningar utgör rörelseindex (LI) för den bildrutan. Log-transformerade LI var bimodalt fördelade, med en nedre topp som representerade epoker med liten eller ingen rörelse och en övre topp som representerade rörelse (Drai et al., 2000). Vi passar sedan två gaussiska funktioner till fördelningen av LI, och bestämmer rörelseströskeln som den punkt där dessa funktioner överlappar minst.

Rörelser definierades som åtminstone åtta konsekutiva ramar med LIs över lokomotortröskeln. För att bestämma tidpunkten för rörelsens start begränsade vi analysen till DS-försök, där djuret fortfarande var vid cue start och sedan beräknat latensen mellan cue start och den första ramen där LI överskred rörelseströskeln (Fig. 1D-F, , 22B,D). Om ingen urskiljbar rörelse mättes vid ett försök, definierades latensen för den försöket som> 10 s (längden på köpresentationen, Fig 1D). Liknande resultat erhölls när sådana försök utelämnades från analysen (data ej visade). DS-cued-rörelsens latensfördelningar samlades sedan över råttor och medianerna jämfördes med ett Wilcoxon-test. För att kvantifiera latens till maxhastighet och medelhastighet för DS-cued spakreglerade rörelser, använde vi alla försök som slutade med en spakpress även om råttan rör sig vid DS-start (Fig 1E,F).

Histologi.

Djuren bedövades djupt med Euthasol och perfunderades intrakardiellt med saltlösning och 4% formalin. Likström (15 μA) passerade genom var och en av elektroderna i arraysna för ~30 s för att generera lesioner. Hjärnor avlägsnades och lagrades i formalin tills de bearbetades. Före skivning med en kryostat var hjärnorna kryoprotekterade genom nedsänkning i 30% sackaros i flera dagar. Sektioner (50 ^ m) färgades för Nissl-substans för att visualisera kanyl- och elektrodspår och lesioner (Fig 11).

Figur 11. 

Histologisk rekonstruktion av antagonistinjektionsställen. Figur avbildar två koronala sektioner av råtthjärna som omfattar majoriteten av den främre-posteriora utsträckningen av NAc (0.8 mm-2.8 mm främre från bregma). Svarta prickar representerar .

Resultat

Vi presenterade råttor med två auditiva stimuli med varierande intervall som medelvärde 30 s: en belöningsprediktisk DS och en NS (Fig 1A; Nicola et al., 2004a,b; Ambroggi et al., 2008, 2011; McGinty et al., 2013). En hävstryck under DS avslutade köen och en dropp sackaros levererades vid inträde i belöningsbehållaren; Om djur inte svarade inom 10 s, avslutades cue utan belöningsleverans och intertrialintervallet påbörjades. Svaren under detta intervall och under NS hade ingen programmerad konsekvens. NS var alltid 10 s. Utbildade djur, som svarade på de flesta DS men få NS (Fig 1B), implanterades med kanylerade arrays riktade mot NAc-kärnan. Under försök utförde djur först uppgiften för en 45 min preinjectionperiod under vilken NAc neural aktivitet registrerades. Därefter infiltrades D1-receptorantagonisten SCH23390 eller D2 / 3-antagonistraclopriden bilateralt eller ensidigt i NAc; djur kvarstod i kammaren med uppgiftskonflikter i själva verket genom infusionen och åtminstone 75 min efteråt.

I överensstämmelse med tidigare studier (Yun et al., 2004; Nicola, 2010), bilaterala infusioner av antingen antagonisten i NAc-kärnan reducerade signifikant andelen DS som djuret svarade på (Fig 1C, mörkgråspår) och ökade latensen att initiera rörelse som uppmätt genom videospårning i en delmängd av sessioner (Fig 1D, grå streckade spår). Däremot hade unilaterala infusioner av samma doser ingen effekt på DS-responsförhållandet (Fig 1C, ljusgråa spår), latens att initiera rörelse efter DS-start (Fig 1D, streckade ljus orange spår) och latens att nå hävarmen eller rörelseshastigheten under spaken närmar sig (Fig 1E,F). Dessa beteendemässiga data visar att NAc dopamin i en enda halvklot är tillräcklig för att upprätthålla beteendet, även om blockad av D1 eller D2 / 3 receptorer i båda hemisfärerna är svåra att reagera. Denna dissociation erbjuder en kritisk experimentell fördel, eftersom det tillåter oss att testa effekterna av dopaminantagonister på neuralt aktivitet när beteendet är nedsatt (bilateral injektion) och när det inte är (ensidig injektion) och därigenom utesluta den potentiella konfronensen som observerade förändringar i neural aktivitet efter antagonistinfusion är sekundär för förändringar i beteende.

Vi registrerade från 322 NAc-neuroner i 31-inspelnings- / injektionssessioner i 12-råttor. Cirka 45% av de inspelade neuronerna uppskattades väsentligt genom DS-presentation. Dessa excitationer uppvisade egenskaper som liknar de som tidigare rapporterats (Yun et al., 2004; Nicola et al., 2004a; Ambroggi et al., 2011; McGinty et al., 2013; Morrison och Nicola, 2014): de var större än de som framkallades av NSFig 2A); de började på kort latens efter cue onset (~120 ms) och inträffade före initiering av spaken riktad rörelse (Fig 2B); och deras storlek var korrelerad med sannolikheten för ett beteendesvar, rörelseinitiations latens och närhet till hävarmen (McGinty et al., 2013; Fig 2C-E).

Bilateral infusion av antingen D1or D2 / D3-antagonisten orsakade en kraftig minskning av storleken på DS-framkallad excitation. Som visas i två exempel neuroner (Fig 3A,C) var denna effekt mest uttalad i protokollet omedelbart efter infusionen, vilket motsvarade den maximala minskningen av cue-framkallade beteendebeteenden som orsakades av injektionerna (Fig 3A,C, blå raster och histogram). När beteendemässig effekt återhämtade sig återfanns också svaret vid avfyrningen (Fig 3A,C, svarta raster och histogram). Detta resultatmönster var konsekvent över cue-exciterade neuroner (Fig. 5A, , 66A, Bilaterala histogram och morrhår. Med stöd av hypotesen att dessa excitationer sätter kraften i spaken närmar sig rörelsen, förutspådde storleken på den cue-framkallade excitationen under preinjektionsperioden djurets latens att nå spaken (Fig 4A,C, vänster). Efter bilateral D1- eller D2-antagonistinjektion skedde dessa latenser markant till högre värden, ofta så höga att det inte fanns något svar alls i 10 s cue-presentation (Fig 4A,C, vänster och höger latensfördelningar). Påfallande, trots att cue-evoked firing reducerades av antagonisterna, fortsatte den att förutsäga effekten av beteenderesponsen under postinjektions- och återhämtningsperioderna (Fig 4A,C, höger raster tomter). Denna observation indikerar att läkemedlets beteendemässiga och neurala effekter korrelerades per försöksbasering: Ju större minskning av bränning som orsakas av en dopaminantagonist desto större latens att nå hävarmen och ju lägre sannolikheten att djur nått hävarmen alls.

För att bedöma konsistensen av denna korrigering mellan försök och försök, beräknade vi, för varje cue-excited neuron, att Spearman rangordnar korrelationen mellan magnitudet av excitationen och latensen att trycka på spaken. Vi tilldelade en latens av 10 s till försök där det inte fanns något svar; latens i dessa försök var därför bunden till högsta rang. (Liknande resultat erhölls om försök utan ett DS-cued spakrespons utelämnades från analysen, data ej visade.) När vi jämförde korrelationskoefficienterna i förinjektionsperioden med de i den kombinerade postinjektions- / återhämtningsperioden fann vi att nästan alla av koefficienterna var negativa i båda perioderna. Vidare hade antagonisterna ingen signifikant effekt på mediankoefficienten eller förskjutit fördelningen mot ännu mer negativa värden (Fig 4B,D). Därför förutsäger inte bara populationen av cue-exciterade nervceller pålitligt beteendemässig respons latens, men ökningen i respons latens orsakad av en antagonist i en given studie förutsägs robust av antagonistens effekter på cue-framkallad excitation på den försöket. Dessa resultat ger starka bevis för en kausal roll för endogen dopamin när det gäller att ställa in kraften i det belöningssökande svaret på signalen: dopamin ökar den cue-framkallade excitationen av NAc-neuroner, vilket i sin tur orsakar en kort latensmetod för spaken.

En alternativ tolkning av dessa resultat är att minskad cue-framkallad excitation är en följd av minskad beteendehantering - kanske för att excitationen bara spårar (eller förutser) beteendemässigt svar men är inte orsak till det. Om så var fallet bör applicering av antagonisterna på ett sådant sätt att de inte påverkar beteendet inte leda till minskad cue-framkallad excitation. Som demonstreras i två exempel neuroner (Fig 3B,D), ensidig injektion av antingen D1or D2 / D3-antagonist reducerade signifikant storleken på cue-framkallad excitation trots att unilaterala injektioner inte förändrade beteendets prestanda. Liknande resultat erhölls när medelvärdet över cue-framkallade excitationer inspelade i den injicerade NAc (Fig. 5A, , 66A, Ipsilaterala histogram); Dessutom visar de genomsnittliga data att cue-framkallade excitationer i neuroner registrerade i NAc kontralaterala till injektionen var opåverkade (Fig. 5A, , 66A, Kontralaterala histogram). För att utesluta möjligheten att minskningen av cue-framkallad excitation ipsilateral mot injektionerna berodde på små skillnader i beteendemässig respons sannolikheten, upprepade vi analysen efter att ha uteslutit alla försök där djuret inte gjorde något tryckpresssvar. liknande resultat erhölls (data ej visat; p <0.05 för både D1- och D2-antagonister, Wilcoxon). Dessa resultat indikerar att den antagonistinducerade minskningen av cue-framkallad excitation sannolikt inte är en konsekvens av försämrad beteendeprestanda.

Även om de tidsmässiga egenskaperna hos cue-framkallad excitation var ganska lika över neuroner var inhiberingarna efter cue-uppkomsten mer varierade, som typiskt uppvisade senare start och mindre stereotypa tidskurser än excitationer (Fig. 5B, , 66B). Analyser av hämningar (och i en utsträckning excitationer) som fokuserar på ett enda tidsfönster kan därför sakna en signifikant del av signalen. Vidare kan standard statistiska detekteringsmetoder inte konsekvent identifiera minskningar från mycket låga basala bränningshastigheter, inklusive den hos många NAc-neuroner. För att kringgå dessa problem tog vi en mer inkluderande strategi där vi kvantifierade, för 50 ms-posttids-tidsfack i varje inspelad neuron, ROC AUC som representerar skillnaden mellan avfyring i facket och precisionsgränsen. Värmekartor över AUC-värden i tidsfack i linje med DS-start (Fig. 5B, , 66B) visar att minskning av DS-framkallad excitation efter bilaterala och ipsilaterala (men inte kontralaterala) injektioner av D1- och D2-antagonister uttalades i nästan varje cue-exciterad neuron och inträffade över hela tiden för excitationen. Däremot reducerades inte inhiberingar efter DS-inverkan. För att kvantifiera dessa effekter bestämde vi huruvida varje AUC-värde indikerade en signifikant skillnad från baslinjen genom att beräkna ett uppstartat p-värde som representerar sannolikheten för att AUC samplades från fördelningen av AUC som genererades från slumpmässigt blandade baslinje- och räddningsfrekvenser (se Material och metoder). Som visas av diagram av andelen neuroner som uppvisar signifikant (p <0.05) excitation eller hämning i varje soptunna anpassad till DS-början (Fig. 5C, , 66C, vänstra tomter i varje kolumn) reducerades fraktionen av excitationer, men inte inhiberingar, genom bilaterala och ipsilaterala injektioner av antagonisterna. Denna tolkning bekräftades statistiskt genom att jämföra proportioner av väsentligt upphetsade och inhiberade rutor över hela 1 s efter DS-fönstret (Fig. 5C, , 66C, punktdiagram). Sålunda reducerades excitationer efter DS-inbrott med D1 och D2-antagonistinjektion, men hämningar var inte.

Faktum är att antalet neuroner som uppvisar signifikant hämning ökades efter vissa typer av injektion (Fig. 5B,C, , 66B,C). Dessa framträdande hämmningar är osannolikt att de har bidragit till beteendeeffekterna av bilaterala antagonistinfusioner eftersom de inte var konsekventa (t.ex. de inträffade efter bilateral och kontralateral men inte ipsilateral D1-antagonistinjektion och efter ipsilateral, men inte bilateral D2-antagonistinjektion) och därför De förklarar inte antagonisternas beteendeeffekter. Vidare var dessa sena inhiberingar mest framträdande ~600 ms efter DS-uppkomst, en tid då, i kontrolltillståndet, ~50% av målinriktade beteendebeteenden redan hade initierats (Fig 2B). Följaktligen är det osannolikt att framväxande hämmningar bidrog till den antagonist-inducerade ökningen i initieringsinitierings latens eller reduktion i respons sannolikhet. Intriguingly uppträdde den stora majoriteten av framväxande hämmningar i DS-exciterade neuroner, vanligtvis mot slutet av excitationen (bilateral D1-antagonist: 14 / 17-neuroner, 82%; ipsilateral D2-antagonist: 11 / 16-neuroner, 69%; Fig. 5B,C, , 66B,C), i överensstämmelse med möjligheten att de avmaskades av den antagonistinducerade reduktionen av det excitatoriska svaret och stöder hypotesen att avfyrningen av DS-exciterade neuroner är orsak till initiering av beteendebeteende.

NS-presentationer, som sällan framkalla spakpressresponser (Fig 1B) framkallade liten men konsekvent excitation i samma neuroner som upphetsades av DS (Fig 2A). Överraskande reducerades inte NS-framkallade excitationer med D1-antagonisten, antingen i storlek (Fig 7A) eller i antal upphetsade neuroner (Fig 7B,C). D2-antagonistinjektionen minskade däremot både storleken och antalet NS-framkallade excitationer (Fig 8). NS-framkallade hämmningar reducerades inte av någon antagonist (Fig. 7B,C, , 88B,C). Under dessa förhållanden krävs därför D1-receptoraktivering för NAc-neuroner för att producera excitationer med stor magnitud som svar på betydande belönings-prediktiva stimuli, medan D2-receptoraktivering krävs för svar på både belönings-prediktiva och neutrala stimuli.

Vi ansåg möjligheten att nedsatt belöningssökande beteende efter bilaterala infusioner kunde ha orsakats av avbrott av en neural process i samband med förstärkning eller till hedonisk behandling av belöning. Sådana processer kan involvera subpopulationerna av NAc-neuroner som hämmas eller exciteras under konsumtion av sackaros (Nicola et al., 2004b; Roitman et al., 2005; Taha och Fields, 2005). Eftersom djur fortsatte att tjäna belöning efter ensidig antagonistinfusion kunde vi avgöra om neuronal aktivitet relaterad till belöningskonsumtion var beroende av dopaminreceptoraktivering. Vi undersökte skjutning under 5 sekunder efter djurets inträde i belöningsbehållaren, den tidsperiod under vilken belöningskonsumtion vanligtvis inträffar (Nicola, 2010). Med hjälp av ROC-analys jämförde vi skjutning i 200-ms-rutor i detta fönster till 10s precu-baslinje; värmekartor av de resulterande AUC-värdena visar liten effekt av antagonistinjektion antingen ipsilateral eller kontralateral till injektionen (Fig 9A,C). Andelen av upphetsade och inhiberade neuroner påverkades inte av antagonisterna (Fig 9B,D), vilket starkt föreslår att konsumtionsrelaterade excitationer och hämmningar inte beror på dopamin. Liknande resultat erhölls när vi utförde samma analys med användning av 50 ms-flaskor (data ej visad).

För att utesluta möjligheten att de observerade resultaten berodde på någon annan faktor än antagonisten (t.ex. fysisk störning orsakad av injektionen eller någon del av läkemedelsfordonet) injicerade vi saltlösning i vissa experiment. Som visat av ett exempel neuron (Fig 10A) och genom den genomsnittliga excitationen över cue-exciterade neuroner (Fig 10B), DS-framkallade excitationer förändrades inte genom saltinjektion; NS-framkallade excitationer påverkades inte heller (Fig 10C). Dessutom påverkade saltinjektion inte proportionerna av neuroner som uppvisade signifikant excitation och inhibering efter DS eller NS-inledande (Fig 10D-G).

Slutligen frågade vi om dopaminreceptoraktivering skulle kunna vara permissiv för cued-beteendebeteende genom att bidra till baslinjespinnning av NAc-neuroner. I motsats till denna hypotes var det ingen signifikant effekt av antingen D1- eller D2-antagonisten på baslinjespinnningshastigheten hos antingen DS-exciterade eller andra NAc-neuroner (Fig 10H,I).

Histologi

Nissl-färgade sektioner indikerade att sondplaceringar var begränsade till NAc. Figur 11 indikerar, för varje råtta, de ungefärliga platserna för kanylerna. Även om NAc-kärnan var inriktad i alla fall, hade vissa inspelade neuroner sannolikt varit i skalet.

Diskussion

Dessa fynd antyder en mekanism där NAc-dopamin främjar belöningssökande beteende framkallat av miljöstimuli: dopaminreceptoraktivering möjliggör cue-framkallade excitationer, vilket i sin tur främjar kort latent initiering av tillvägagångssätt för belöningsrelaterade objekt. Denna slutsats stöds starkt av observationen att bilateral dopaminantagonistinjektion både ökar latensen att initiera rörelse (Fig 1D) och minskade storleken på cue-framkallade excitationer (Fig. 33â € <-6). Minskad cue-framkallad excitation kan inte ha varit en konsekvens av nedsatt beteende eftersom ensidiga injektioner inte förändrade DS-cued beteende (Fig 1C-F), men ändå kraftigt reducerad DS-framkallad excitation i den injicerade vävnaden (Fig. 3B,D, , 5,5, , 6) .6). Dessa excitationer var ett övervägande neuralrespons i NAc (som förekommer i 45% av de inspelade neuronerna), och de båda föregick rörelsens start (Fig 2B) och förutspådd rörelseinitierings latens med större bränning på försök med kortare latens (Fig 2D) (McGinty et al., 2013; Morrison och Nicola, 2014). Därför är cue-framkallad excitation både dopaminberoende och nödvändig för kraftig belöningssökning.

Våra resultat visar att cue-framkallad excitation, och ingen annan form av neural aktivitet i NAc, är sannolikt en kritisk signal i den neurala kretsen som ställer latensen för målriktade rörelser. Denna slutsats följer av observationen att antagonisterna minskade cue-framkallad excitation utan att reducera cue-framkallade hämningar, belöna konsumtionsassocierad avfyring eller baslinjebränningshastigheter. Vidare var försöken i vilka bilaterala injektioner av antagonisterna mest effektiva vid minskning av excitationen de som ledde till störst funktionsnedsättning (Fig 4), argumenterar starkt mot möjligheten att någon annan oupptäckt förändring i neuronal kodning var ansvarig för beteendeeffekterna. Därför länkar våra data fast dopaminreceptoraktivering i NAc, storleken på cue-framkallad excitation och djurets latens för att initiera belöningssökning.

Tidigare arbete visade att VTA-inaktivering som reducerade NAc-cue-framkallade excitationer och hämmningar också hindrade djur från att uppvisa cued-beteendebeteende (Yun et al., 2004). Den studien eliminerade emellertid inte möjligheten att dessa förändringar var en indirekt kretseffekt. Här visar vi att dopaminreceptorer lokaliserade till de inspelade neuronerna är nödvändiga för cue-framkallad excitation, vilket eliminerar möjligheten att antagonistverkningarna beror på en dopaminverkan uppströms NAc. I motsats till detta, även om cue-framkallade hämmningar reducerades genom VTA-inaktivering (Yun et al., 2004) reducerades de inte med lokal dopaminantagonistinjektion, och därför är dessa inhiberingar osannolikt att vara resultatet av en direkt verkan av dopamin inom NAc.

Effekterna av D1- och D2-antagonisterna på både DS-framkallade beteendebeteenden och DS-framkallad avfyring var anmärkningsvärt lika. Dessa observationer överensstämmer med en lång rad av NAc-mikroinjektionsexperiment där D1- och D2-antagonister producerade nästan oskiljbara beteendeeffekter vid doser som liknar vårt (Hiroi och White, 1991; Ozer et al., 1997; Koch et al., 2000; Eiler et al., 2006; Pezze et al., 2007; Lex och Hauber, 2008; Liao, 2008; Nicola, 2010; Shin et al., 2010; Haghparast et al., 2012). Dessa resultat, tillsammans med kontrasten mellan antagonistkoncentrationen i injektivet som krävs för att observera effekter (mm) och läkemedlets affinitet för deras mål (nm), ifrågasätter huruvida läkemedelseffekterna är specifika. Fastän den effektiva koncentrationen hos receptorn sannolikt kommer att vara betydligt lägre än den injicerade koncentrationen på grund av diffusion, metabolism och oxidation av läkemedlen är den kombinerade effekten och tidskursen för dessa processer okänd. Därför är en formell möjlighet att både de beteendemässiga och elektrofysiologiska effekterna av SCH23390 och racloprid är resultatet av att båda läkemedel binder en eller flera receptorer som inte är bundna av dopamin alls. Flera faktorer strider mot denna möjlighet. Cue-framkallat beteendebeteende blockeras inte bara av SCH23390 och racloprid utan även genom injektion av den bredspektrum dopaminreceptorantagonisten flupenthixol i NAc (Di Ciano et al., 2001; Saunders och Robinson, 2012), genom inaktivering av VTA (Yun et al., 2004) och genom lesion av NAc med 6-hydroxydopamin (Parkinson et al., 2002), som selektivt dödar katekolaminerga fibrer. Dessutom ökar NAc-injektionen av en dopaminåterupptags blockerare, en D1- eller D2-receptoragonist eller dopamin-releaseramphetaminet sannolikheten för cued-tillvägagångssätt (Wyvell och Berridge, 2000; Nicola et al., 2005; du Hoffmann och Nicola, 2013). Slutligen dämpas optogenetisk självstimulering av VTA-dopaminneuroner (ett beteende som utan tvekan upprätthålls av dopaminneuronaktivering) genom injektion av SCH23390 eller racloprid i NAc vid doser som liknar dem som används här (Steinberg et al., 2014). Det är svårt att tänka sig en enkel mekanism som kan redogöra för vart och ett av dessa resultat utan att förmedla det SCH23390- och racloprid-blockerade tillvägagångssättet genom att blockera effekterna av endogen dopamin.

En alternativ möjlighet är att antagonisterna inte bara binder deras målreceptorer utan även dopaminreceptorer utan mål. Vid koncentrationer av 10 μm eller lägre binder inte racloprid D1-liknande receptorer (Hall et al., 1986); högre koncentrationer har inte testats. Därför kan racloprid vara specifik för D2 / D3-receptorer, även vid de mm-injektionshalter som används av oss och andra, särskilt efter diffusion, metabolism och oxidation beaktas. Uppskattningar av SCH23390-bindningskonstanten till D2-liknande receptorer varierar mellan 1 och 5 μm (Bourne, 2001; Mottola et al., 2002); fastän dessa värden tyder på att SCH23390 binder D2 / D3-receptorer vid de injicerade koncentrationerna, är funktionell effekt av SCH23390 vid blockering av aktivering av D2-liknande receptorer av dopamin okänd. Vår observation att racloprid minskade NS-framkallad excitation medan SCH23390 inte stödde idén om att drogerna agerade vid olika receptorer, men visar inte definitivt deras specificitet. Trots att en eller båda läkemedlen blockerade båda receptortyperna för att minska DS-framkallad excitation skulle detta emellertid helt överensstämma med vår slutsats att aktivering av minst en form av dopaminreceptor krävs för DS-framkallad excitation. Således, även om frågan om drogspecifika egenskaper kvarstår obesvarad, försvagar denna fråga endast marginellt vår huvudsakliga slutsats att dopamin underlättar cued-tillvägagångssättet genom att öka cue-framkallad excitation.

Om de faktiska drogerna faktiskt handlade specifikt, visar våra funn att D1 och D2 / D3-antagonisterna varje minskad cue-framkallad avfyring i majoriteten av cue-exciterade neuroner antyder att aktivering av dessa receptorer leder synergistiskt till excitering i samma neuroner. D1- och D2-receptorer återfinns i i stor utsträckning segregerade populationer av neuroner i NAc (Albin et al., 1989; Gerfen et al., 1990), innehåller betydande proportioner av NAc-kärn- och skalneuroner som uttrycker D1-receptorer också mRNA för D3-receptorer (Le Moine och Bloch, 1996), vilka blockeras av D2-antagonister, inklusive rakloprid. Coexression av D1- och D3-receptorer tillhandahåller en potentiell mekanism där dopamin kan främja excitering i NAc-neuroner med en synergistisk effekt som skulle blockeras av antingen D1 eller D2 / 3-antagonister (Schwartz et al., 1998). Alternativt (eller dessutom) kan interaktionen mellan D1 och D2 (och / eller D3) receptorer uppträda på lokal kretsnivå (Goto and Grace, 2005; Gerfen och Surmeier, 2011). Dopamin verkar till exempel vid D1-receptorer för att minska GABA-frisättning på NAc-neuroner (Nicola och Malenka, 1997; Hjelmstad, 2004), en effekt som kan främja excitering i samverkan med aktivering av D2 / D3-receptorer på spina neuroner (Hopf et al., 2003). Dessa mekanismer antyder särskilt att dopamin inte exciterar NAc-neuroner direkt, men ökar snarare deras excitabilitet som svar på glutamatergisk ingång; Därför kan de förklara varför cue-framkallade excitationer blockeras inte bara av dopaminantagonister utan även genom inaktivering av den basolaterala amygdala- och prefrontala cortexen (Ambroggi et al., 2008; Ishikawa et al., 2008), vilka båda sänder glutamatergiska utsprång till NAc (Brog et al., 1993).

Likheterna och skillnaderna mellan SCH23390 och racloprid-effekter kan vara resultatet av två kontrasterande neurala mekanismer, som involverar fasisk och tonisk dopamin. Eftersom både D1- och D2 / D3-antagonister reducerade DS-framkallad excitation, men den mindre NS-framkallade excitationen som inträffade i samma neuroner reducerades endast av D2 / D3-antagonisten (Fig. 8, , 9), 9) verkar det som att dopamin främjar kodning av stimulansvärde via aktivering av D1-receptorer, men underlättar avfyrningsresponser på alla signaler (oavsett om de är associerade med ett värdefullt resultat) via D2 / D3-receptorer. Detta kan bero på att de större fasiska dopamintransienterna framkallades i NAc genom belöningsspecifika än neutrala signaler (Phillips et al., 2003; Roitman et al., 2004). Eftersom D2 / 3-receptorer har högre affinitet för dopamin än D1-receptorer, kan små NS-framkallade dopamin-transienter vara tillräckliga för att endast aktivera D2 / 3-receptorer, medan belöningsprediktiva DS kan höja dopaminkoncentrationen till nivåer som är tillräckligt höga för att aktivera D1-receptorer (Grace, 1991).

Alternativt kan storleken på cue-framkallad excitation regleras av tonisk, snarare än fasisk dopamin. Toniska dopaminnivåer kan återspegla möjligheten till kostsamhet (Niv et al., 2007) och därigenom ställer kraften i operativ prestanda. Om tillräckligt höga toniska dopaminnivåer uppnås kan sålunda tillräckliga dopaminreceptorer aktiveras för att underlätta cue-framkallad excitation och minska latensen av belöningssökande tillvägagångssätt. En liknande mekanism kan också ligga till grund för det välkända bidraget från NAc-dopamin till prestanda av okända operativa uppgifter som kräver hög ansträngning (Salamone och Correa, 2012), där dopaminavbrott ökar latensen att närma sig operandumet (Nicola, 2010). Implicita externa signaler (t.ex. synen på hävarmen) eller interna signaler (t.ex. som uppstår vid tidpunkt eller hunger) kan utlösa tillvägagångssätt genom spännande NAc-neuroner i större utsträckning när kostnaden och dopaminnivåerna är höga.

Sammanfattningsvis, oavsett den specifika farmakologiska mekanismen, visar våra resultat att NAc-dopamin främjar belöningssökande beteende genom att höja exciteringen av NAc-neuroner till framträdande miljöstimuli. Storleken på denna excitation sätter patientens latens att initiera ett tillvägagångssvar. Via denna mekanism reglerar dopamin både kraften och sannolikheten för cued belöningssökande.

fotnoter

Detta arbete stöddes av bidrag från National Institute of Health (DA019473, DA038412 och MH092757), National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression, Klarman Family Foundation och Peter F. McManus Charitable Trust. Vi tackar Drs. S. Morrison, V. McGinty, D. Moorman, F. Ambroggi, A. Kravitz och K. Khodakhah för kommentarer till detta manuskript; medlemmar av Nicola-labbet för användbara diskussioner; och J. Kim för tekniskt bistånd.

Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.

referenser

  • Albin RL, Young AB, Penney JB. Den funktionella anatomin av basala ganglia störningar. Trender Neurosci. 1989; 12: 366-375. doi: 10.1016 / 0166-2236 (89) 90074-X. [PubMed] [Cross Ref]
  • Ambroggi F, Ishikawa A, Fields HL, Nicola SM. Basolaterala amygdala-neuroner underlättar belöningssökande beteende genom spännande kärnor accumbens neuroner. Nervcell. 2008; 59: 648-661. doi: 10.1016 / j.neuron.2008.07.004. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Ambroggi F, Ghazizadeh A, Nicola SM, Fields HL. Roles av kärnan accumbens kärna och skal i incitament-cue svarande och beteendemässig inhibering. J Neurosci. 2011; 31: 6820-6830. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.6491-10.2011. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Bourne JA. SCH 23390: den första selektiva dopamin D1-liknande receptorantagonisten. CNS Drug Rev. 2001; 7: 399-414. doi: 10.1111 / j.1527-3458.2001.tb00207.x. [PubMed] [Cross Ref]
  • Brog JS, Salyapongse A, Deutch AY, Zahm DS. Mönster av avferent innervation av kärnan och skalet i "accumbens" -delen av råttventralstriatumen: immunohistokemisk detektering av retrogradigt transporterat fluor-guld. J Comp Neurol. 1993; 338: 255-278. doi: 10.1002 / cne.903380209. [PubMed] [Cross Ref]
  • Di Ciano P, kardinal RN, Cowell RA, Little SJ, Everitt BJ. Differentiell inblandning av NMDA, AMPA / kainat och dopaminreceptorer i kärnan accumbens kärna vid förvärv och prestanda av pavlovian-beteendebeteende. J Neurosci. 2001; 21: 9471-9477. [PubMed]
  • Drai D, Benjamini Y, Golani I. Statistisk diskriminering av naturliga rörelsemetoder vid råttförberedande beteende. J Neurosci Metoder. 2000; 96: 119-131. doi: 10.1016 / S0165-0270 (99) 00194-6. [PubMed] [Cross Ref]
  • du Hoffmann J, Nicola SM. Ökad kärnan accumbens dopamin hämmar mättnad i en cued approach uppgift. Soc Neurosci. 2013 Abstr 39.867.11 / LLL22.
  • du Hoffmann J, Kim JJ, Nicola SM. En billig drivbar kanylerad mikroelektrodermatris för simultan enhetinspelning och läkemedelsinfusion i samma hjärnkärna av uppförande råttor. J Neurophysiol. 2011; 106: 1054-1064. doi: 10.1152 / jn.00349.2011. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Eiler WJ, 2nd, Masters J, McKay PF, Hardy L, 3rd, Goergen J, Mensah-Zoe B, Seyoum R, Cook J, Johnson N, Neal-Beliveau B, juni HL. Amfetamin sänker tröskelvärdet för hjärnstimuleringsbelöning (BSR) i alkoholföreträdande (P) och -nonpreferrering (NP) råttor: reglering av D-sub-1- och D-sub-2-receptorer i kärnans accumbens. Exp Clin Psychopharmacol. 2006; 14: 361-376. doi: 10.1037 / 1064-1297.14.3.361. [PubMed] [Cross Ref]
  • Gerfen CR, Surmeier DJ. Modulation av striatala projektionssystem med dopamin. Annu Rev Neurosci. 2011; 34: 441-466. doi: 10.1146 / annurev-neuro-061010-113641. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Gerfen CR, Engber TM, Mahan LC, Susel Z, Chase TN, Monsma FJ, Jr, Sibley DR. D1 och D2 dopaminreceptorreglerade genuttryck av striatonigral och striatopallidala neuroner. Vetenskap. 1990; 250: 1429-1432. doi: 10.1126 / science.2147780. [PubMed] [Cross Ref]
  • Gå till Y, Grace AA. Dopaminerg modulering av limbisk och kortikal drivenhet av kärnan accumbens i målriktat beteende. Nat Neurosci. 2005; 8: 805-812. doi: 10.1038 / nn1471. [PubMed] [Cross Ref]
  • Grace AA. Fasisk kontra tonisk dopaminfrisättning och modulering av dopamin-systemresponsivitet: en hypotes för etsologin av schizofreni. Neuroscience. 1991; 41: 1-24. doi: 10.1016 / 0306-4522 (91) 90196-U. [PubMed] [Cross Ref]
  • Haghparast A, Ghalandari-Shamami M, Hassanpour-Ezatti M. Blockade av D1 / D2 dopaminreceptorer inom kärnan accumbens dämpade den antinociceptiva effekten av cannabinoidreceptoragonist i den basolaterala amygdalaen. Brain Res. 2012; 1471: 23-32. doi: 10.1016 / j.brainres.2012.06.023. [PubMed] [Cross Ref]
  • Hall H, Sallemark M, Jerning E. Effekter av remoxiprid och vissa relaterade nya substituerade salicylamider på råtthjärnreceptorer. Acta Pharmacol Toxicol. 1986; 58: 61-70. doi: 10.1111 / j.1600-0773.1986.tb00071.x. [PubMed] [Cross Ref]
  • Hiroi N, Vit NM. Den amfetaminkonditionerade platspreferensen: differentiell inblandning av dopaminreceptorsubtyper och två dopaminerga terminala områden. Brain Res. 1991; 552: 141-152. doi: 10.1016 / 0006-8993 (91) 90672-I. [PubMed] [Cross Ref]
  • Hjelmstad GO. Dopamin excites kärnan accumbens neuroner genom differentiell modulering av glutamat och GABA frisättning. J Neurosci. 2004; 24: 8621-8628. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.3280-04.2004. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Hopf FW, Cascini MG, Gordon AS, Diamond I, Bonci A. Cooperativ aktivering av dopamin D1- och D2-receptorer ökar spikförskjutningen av nukleinsymboler neuroner via G-protein-betagamm-subenheter. J Neurosci. 2003; 23: 5079-5087. [PubMed]
  • Ishikawa A, Ambroggi F, Nicola SM, Fields HL. Dorsomedial prefrontal cortex bidrag till beteendemässiga och kärnan accumbens neuronala svar på incitament ledtrådar. J Neurosci. 2008; 28: 5088-5098. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.0253-08.2008. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Koch M, Schmid A, Schnitzler HU. Rollen av muskler accumulates dopamin D1 och D2 receptorer i instrumentella och Pavlovian paradigmer av konditionerad belöning. Psychopharmacology. 2000; 152: 67-73. doi: 10.1007 / s002130000505. [PubMed] [Cross Ref]
  • Le Moine C, Bloch B. Uttryck av D3 dopaminreceptorn i peptiderga neuroner hos kärnans accumbens: jämförelse med D1- och D2-dopaminreceptorerna. Neuroscience. 1996; 73: 131-143. doi: 10.1016 / 0306-4522 (96) 00029-2. [PubMed] [Cross Ref]
  • Lex A, Hauber W. Dopamin D1 och D2 receptorer i kärnan accumbens kärna och skal medla Pavlovian-instrumentöverföring. Lär Mem. 2008; 15: 483-491. doi: 10.1101 / lm.978708. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Liao RM. Utveckling av konditionerad platspreferens inducerad genom intra-accumbens-infusion av amfetamin dämpas genom samtidig infusion av dopamin D1- och D2-receptorantagonister. Pharmacol Biochem Behav. 2008; 89: 367-373. doi: 10.1016 / j.pbb.2008.01.009. [PubMed] [Cross Ref]
  • McGinty VB, Lardeux S, Taha SA, Kim JJ, Nicola SM. Invigoration av belöning som söker efter cue och närhetskodning i kärnan accumbens. Nervcell. 2013; 78: 910-922. doi: 10.1016 / j.neuron.2013.04.010. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Morrison SE, Nicola SM. Neuroner i kärnan accumbens främjar urval av bias för närmare objekt. J Neurosci. 2014; 34: 14147-14162. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.2197-14.2014. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Mottola DM, Kilts JD, Lewis MM, Connery HS, Walker QD, Jones SR, Booth RG, Hyslop DK, Piercey M, Wightman RM, Lawler CP, Nichols DE, Mailman RB. Funktionell selektivitet hos dopaminreceptoragonister. I. Selektiv aktivering av postsynaptiska dopamin D2-receptorer kopplade till adenylatcyklas. J Pharmacol Exp Ther. 2002; 301: 1166-1178. doi: 10.1124 / jpet.301.3.1166. [PubMed] [Cross Ref]
  • Nicola SM. Kärnan accumbens som en del av en basal ganglia åtgärdsvalkrets. Psychopharmacology. 2007; 191: 521-550. doi: 10.1007 / s00213-006-0510-4. [PubMed] [Cross Ref]
  • Nicola SM. Den flexibla tillvägagångssituationen: sammanslagning av ansträngningar och cue-responding hypotheses för kärnans roll accumbens dopamin i aktiveringen av belöningssökande beteende. J Neurosci. 2010; 30: 16585-16600. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.3958-10.2010. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Nicola SM, Malenka RC. Dopamin deprimerar excitatorisk och hämmande synaptisk överföring av olika mekanismer i kärnan accumbens. J Neurosci. 1997; 17: 5697-5710. [PubMed]
  • Nicola SM, Yun IA, Wakabayashi KT, Fields HL. Cue-framkallad skjutning av kärnan accumbens neuroner kodar motiverande betydelse under en diskriminerande stimulansuppgift. J Neurophysiol. 2004a; 91: 1840-1865. doi: 10.1152 / jn.00657.2003. [PubMed] [Cross Ref]
  • Nicola SM, Yun IA, Wakabayashi KT, Fields HL. Firning av kärnor accumbens neurons under den konsumtiva fasen av en diskriminerande stimulansuppgift beror på tidigare belöningsprognoser. J Neurophysiol. 2004b; 91: 1866-1882. doi: 10.1152 / jn.00658.2003. [PubMed] [Cross Ref]
  • Nicola SM, Taha SA, Kim SW, Fields HL. Nukleär accumbens dopaminfrigöring är nödvändig och tillräcklig för att främja beteenderesponsen mot belönings-prediktiva signaler. Neuroscience. 2005; 135: 1025-1033. doi: 10.1016 / j.neuroscience.2005.06.088. [PubMed] [Cross Ref]
  • Niv Y, Daw ND, Joel D, Dayan P. Tonisk dopamin: Kostnadskostnader och kontroll av responskraft. Psychopharmacology. 2007; 191: 507-520. doi: 10.1007 / s00213-006-0502-4. [PubMed] [Cross Ref]
  • Ozer H, Ekinci AC, Starr MS. Dopamin D1- och D2-beroende katalepsi i råttan kräver funktionella NMDA-receptorer i corpus striatum, nukleusaccumbens och substantia nigra pars reticulata. Brain Res. 1997; 777: 51-59. doi: 10.1016 / S0006-8993 (97) 00706-3. [PubMed] [Cross Ref]
  • Parkinson JA, Dalley JW, Cardinal RN, Bamford A, Fehnert B, Lachenal G, Rudarakanchana N, Halkerston KM, Robbins TW, Everitt BJ. Nukleär accumbens dopaminutarmning försämrar både förvärv och prestanda av appetitivt Pavlovian-beteendebeteende: konsekvenser för mesoaccumbens dopaminfunktion. Behav Brain Res. 2002; 137: 149-163. doi: 10.1016 / S0166-4328 (02) 00291-7. [PubMed] [Cross Ref]
  • Pezze MA, Dalley JW, Robbins TW. Differentiella roller för dopamin D1 och D2 receptorer i kärnan accumbens i attentional prestanda på fem-val seriell reaktionstid uppgift. Neuropsychopharmacology. 2007; 32: 273-283. doi: 10.1038 / sj.npp.1301073. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Phillips PE, Stuber GD, Heien ML, Wightman RM, Carelli RM. Subsecond dopaminfrisättning främjar kokainsökande. Natur. 2003; 422: 614-618. doi: 10.1038 / nature01476. [PubMed] [Cross Ref]
  • Roitman MF, Stuber GD, Phillips PE, Wightman RM, Carelli RM. Dopamin fungerar som en sekundärmodulator av matssökande. J Neurosci. 2004; 24: 1265-1271. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.3823-03.2004. [PubMed] [Cross Ref]
  • Roitman MF, Wheeler RA, Carelli RM. Nukleäraccumulensneuroner är innatjusterade för givande och aversiva smakstimuli, kodar för sina prediktorer och är kopplade till motorutgång. Nervcell. 2005: 587-597. [PubMed]
  • Salamone JD, Correa M. De mystiska motiverande funktionerna av mesolimbic dopamin. Nervcell. 2012; 76: 470-485. doi: 10.1016 / j.neuron.2012.10.021. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Saunders BT, Robinson TE. Dopaminens roll i accumbens-kärnan vid uttryck av Pavlovian-konditionerade svar. Eur J Neurosci. 2012; 36: 2521-2532. doi: 10.1111 / j.1460-9568.2012.08217.x. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Schoenbaum G, Chiba AA, Gallagher M. Orbitofrontal cortex och basolateral amygdala kodar förväntade resultat under inlärning. Nat Neurosci. 1998; 1: 155-159. doi: 10.1038 / 407. [PubMed] [Cross Ref]
  • Schwartz JC, Diaz J, Bordet R, Griffon N, Perachon S, Pilon C, Ridray S, Sokoloff P. Funktionella följder av multipla dopaminreceptorsubtyper: D1 / D3-receptorens samexistens. Brain Res Brain Res Rev. 1998; 26: 236-242. doi: 10.1016 / S0165-0173 (97) 00046-5. [PubMed] [Cross Ref]
  • Shin R, Cao J, Webb SM, Ikemoto S. Amfetaminadministration i ventralstriatum underlättar beteendemässig interaktion med okonditionerade visuella signaler hos råttor. PLOS One. 2010; 5: e8741. doi: 10.1371 / journal.pone.0008741. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Steinberg EE, Boivin JR, Saunders BT, Witten IB, Deisseroth K, Janak PH. Positiv förstärkning medierad av midhjärndopaminneuroner kräver aktivering av D1 och D2-receptor i kärnans accumbens. PLOS One. 2014; 9: e94771. doi: 10.1371 / journal.pone.0094771. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Stuber GD, Hnasko TS, Britt JP, Edwards RH, Bonci A. Dopaminerga terminaler i kärnan accumbens men inte dorsalstriatum coreleasglutamat. J Neurosci. 2010; 30: 8229-8233. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.1754-10.2010. [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  • Swanson LW. Projektionerna i det ventrala tegmentala området och angränsande områden: en kombinerad fluorescerande retrogradspårare och immunofluorescensstudie i råttan. Brain Res Bull. 1982; 9: 321-353. doi: 10.1016 / 0361-9230 (82) 90145-9. [PubMed] [Cross Ref]
  • Taha SA, Fields HL. Kodning av smaklighet och appetitiva beteenden av olika neuronala populationer i kärnan accumbens. J Neurosci. 2005; 25: 1193-1202. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.3975-04.2005. [PubMed] [Cross Ref]
  • Van Bockstaele EJ, Pickel VM. GABA-innehållande neuroner i det ventrala tegmentala området projekterar kärnans accumbens i råtthjärnan. Brain Res. 1995; 682: 215-221. doi: 10.1016 / 0006-8993 (95) 00334-M. [PubMed] [Cross Ref]
  • Wyvell CL, Berridge KC. Intra-accumbens amfetamin ökar det konditionerade incitamentet salience av sackarosbelöning: förbättring av belöningen "vill" utan förbättrad "smak" eller responsförstärkning. J Neurosci. 2000; 20: 8122-8130. [PubMed]
  • Yun IA, Wakabayashi KT, Fields HL, Nicola SM. Det ventrala tegmentala området är nödvändigt för beteendets och kärnans accumbens neuronavbrott svar på incitament signaler. J Neurosci. 2004; 24: 2923-2933. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.5282-03.2004. [PubMed] [Cross Ref]