(L) Är du där, Gud? Det är jag, dopaminneuron (2013)

Är du där Gud Det är jag dopaminneuron

September 30, 2013 · av Talia Lerner

Dopaminneuroner är några av de mest studerade, mest sensationella neuronerna där ute. Men senast har de gått igenom en identitetskris. Vad är en dopaminneuron? Några intressanta senaste vändningar i dopaminforskning har definitivt dämpat myten att dopaminneuroner är av en sort - och du borde ifrågasätta alla studier som behandlar dem som sådana.

Det finns många sätt på vilka en dopaminneuron (definierad som en neuron som frigör neurotransmittorn dopamin) inte bara är en dopaminneuron. Jag ska fokusera på tre riktigt coola sätt här:

  1. Inte alla neuroner som släpper ut dopamin frigör det på samma plats samtidigt. Dopaminneuroner har olika roller i hjärnfunktion och beteende beroende på hur de är anslutna till neurala kretsar.
  2. Inte alla neuroner som släpper ut dopaminfrisättning bara dopamin. Vissa kan också släppa andra neurotransmittorer, vilket kan ha djupa effekter på hur de påverkar neuralkretsfunktionen.
  3. Inte alla neuroner som släpper ut dopamin frisätter alltid dopamin. Vissa nervceller kan byta eller stänga av dopaminsyntesmaskinen. På grund av denna förmåga kan de inte ens ha erkänts i tidigare forskning som dopaminneuroner.

Innan jag beskriver dessa spännande nya funderingar, låt mig ge dig den vanliga Neuroscience 101 introduktionen till dopaminneuroner. Denna inflytelserika teori om dopaminneuronfunktion kommer till oss från Wolfram Schultz och kollegors 1997 Science-papper, "Ett neuralt substrat av förutsägelse och belöning. " Det visade att dopaminneuroner, som eldar med viss bakgrundshastighet, eldar mer som svar på oförutsedda men inte förutsägda belöningar. Dessutom, om du förväntar dig en belöning och inte får den, eldar dopaminneuronen mindre. Detta resultat ledde Schultz et al. att föreslå att dopaminneuroner kodar "belöningsprognosfel". Det vill säga de berättar om sakerna är så bra, bättre eller sämre än vad du förväntade dig. Schultz et al. fortsätta att uttala "Svaren på dessa neuroner är relativt homogena, olika neuroner svarar på samma sätt och olika aptitiva stimuli framkallar liknande neuronala svar. Alla svar förekommer i de flesta dopaminneuroner (55 till 80%). "

Dopaminneurons roll som datorer med belöningsprediktionsfel är fortfarande en fascinerande och värdig forskningslinje, men om belöningsprediktionsfel är ALLA som dopaminneuroner gör, vad behöver vi 400,000-600,000 av dem för? * Här är en karta över var hjärnans dopaminneuroner är placerade (i tvärsnitt av en gnagarehjärna):

 

Distribution av dopaminneuroncellsgrupper A8-A16 i den vuxna gnagarehjärnan. Anpassad från Björklund, A. & Dunnett, SB Dopamine neuronsystem i hjärnan: en uppdatering. Trender inom neurovetenskap 30, 194–202 (2007).

*I människor. Det finns 160,000-320,000 i apor och bara 20,000-45,000 hos gnagare.

Titta på detta diagram verkar det redan finnas några grova anatomiska skillnader mellan grupper av dopaminneuroner, varför de är märkta A8-A16. Det finns också finare anatomiska skillnader, som visar sig ha så lite subtile funktionella konsekvenser. I den första studien kommer jag att fokusera på här, Lammel et al. bestämmer om att skilja dopaminneuroner i det ventrala tegmentala området (VTA eller A10 i bilden ovan) genom deras anslutning till andra hjärnområden.  Lammel et al. observerade att det finns minst två separerbara populationer av dopaminneuroner inom VTA. En population får ingångssignaler från ett hjärnområde som kallas laterodorsal tegmentum och skickar utsignaler till ett hjärnområde som kallas kärnan accumbens (kalla dessa LDT-dopamin-NAc-neuroner). Den andra befolkningen får ingångar från lateral habenula och skickar utgångar till prefrontal cortex (kalla dessa LHb-dopamin-PFC-neuroner). Än sen då? Är det faktum att dessa dopaminneuroner är anslutna till olika hjärnkretsar alls för beteende? Lammel et al. visade att det spelar roll. När man använder optogenetik!) de aktiverade ingångarna till LDT-dopamin-NAc-neuroner i möss, de fann att djuren bildade positiva föreningar med det sammanhang där de stimulerades. De valde att spendera mer tid i den del av en låda där de hade fått hjärnstimuleringen. Däremot, när Lammel et al. aktiverade ingångarna till LHb-dopamin-PFC-neuroner observerades det exakta motsatsen. Djur undviker en del av en låda där de hade fått stimulansen. I en annan studie av samma grupp, när mössen naturligt upplevde något bra eller något dåligt, modulerades styrkan i dessa separata kretsar differentiellt. Möss som gavs kokain visade en ökad styrka av LDT-dopamin-NAc-vägen men ingen förändring i LHb-dopamin-PFC-vägen. Möss som gav en irriterande på sin tass visade ingen förändring i LDT-dopamin-NAc-vägen, men en ökad styrka av LHb-dopamin-PFC-vägen.

Underminera Schultz et al .s första påstående att dopaminneuroner är homogena, Lammel et al. upptäckte att de inte är det. Denna revision uppstod sannolikt på grund av den ökande känsligheten för de tillgängliga verktygen, som ändrats ganska från 1990 till 2010. Nyare och bättre verktyg, i kombination med en liten kreativitet, gav Lammel et al. att särskilja subtiliteter som inte var tillgängliga för Schultz et al. Vid avslöjandet av dessa subtiliteter, Lammel et al. hjälpte till att demonstrera hubrisen att tro att du har räknat ut en hel del neuroner eftersom du ser svar i 55-80% av en befolkning, särskilt när du inte är helt säker (eller borde inte vara) om kriterierna du har brukade definiera den befolkningen. (Frågan om att definiera dopaminneuroner under in vivo neurala inspelningar är en hel annan fråga). Alla krediter i världen till Schultz et al. för att belysa elden av dopaminforskning, men det var mer en utgångspunkt än en slutpunkt.

Gruppering av neuroner av hjärnkretsarna som de deltar i ger en massa mening om du försöker lista ut hur hjärnkretsar fungerar. Men vad händer om du försöker lista ut dopamindelen av dopaminneuroner? Den flesta dopaminneuronforskning har antagit att när en dopaminneuron bränder, släpper den neurotransmittorn dopamin, en liten molekyl som ser ut så här:

Faktum är att det var så som vi definierade "dopaminneuron". Men som det ofta är fallet inom vetenskapen, visar sig situationen inte så enkelt. I den andra raden av ny forskning undersöker jag här, forskare visade bevis på att dopaminneuroner kan medföra frisättning av andra neurotransmittormolekyler, kallade glutamat och GABA, tillsammans med dopamin.

I själva verket frigörs olika delsatser av dopaminneuroner övervägande överhuvudtaget antingen glutamat eller GABA. Studier av Hnasko et al. och Stuber et al. visade att dopaminneuroner i VTA-frigöringsglutamatet. Först noterade de att många VTA-dopaminneuroner uttryckte en glutamattransportör som heter VGLUT2, ett protein som paketerar glutamat för frisättning från neuroner. Betydde förekomsten av VGLUT2 att dopaminneuroner förpackade glutamat förutom dopamin? För att se på denna fråga tittade forskarna på neurons svar i kärnans accumbens (ett ställe som dopaminneuroner skickar utdata till, se diskussionen om Lammel et al ovan) för dopaminneuronstimulering. Faktum är att de observerade snabba, excitatoriska responser av nukleinsubstansens neuroner för stimulering av VTA dopaminneuroner av en typ som skulle vara förenlig med ett glutamatergiskt snarare än ett dopaminerge svar. Dessa svar blockerades av antagonister av glutamatreceptorer men inte av antagonister av dopaminreceptorer. Dessutom sågs inga sådana svar hos mus som manipulerades genetiskt för att sakna VGLUT2 i dopaminneuroner.

Samtidig frisättning av glutamat kan emellertid inte förekomma i alla dopaminneuroner. Liksom i Lammel et al. S studier berör anslutningen. Stuber et al. observerade att dopaminneuroner i ett grannområde som heter substantia nigra (A9), som skickar utgångar till dorsalstriatumen, inte visade bevis på glutamatfrisättning. Det negativa resultatet är fortfarande kontroversiellt. En annan grupp, Tritsch et al., observerade några bevis på glutamatfrisättning genom substantia nigra dopaminneuroner. Dessutom visade de att dessa substantia nigra-dopaminneuroner också frigör en annan neurotransmittor: GABA. Det är dock märkligt att substantia nigra dopaminneuroner inte uttrycker VGAT, den normala GABA-transportören. I stället Tritsch et al. fann att VMAT, dopamintransportören, också kan samtransportera GABA, förpacka den för synaptisk frisättning tillsammans med dopamin. Tritsch et al. -Sökning kan generalisera bortom substantia nigra-dopaminneuroner. Så länge som det finns någon GABA runt, kan allt som uttrycker VMAT eventuellt paketera och släppa den GABA också. En nyckelfråga som härrör från Tritsch et al.'S studie är exakt var och när GABA i substantia nigra syntetiseras. Ändå är det där.

Konsekvenserna av glutamat och GABA-medfrisättning från dopaminneuroner förblir för det mesta synliga. Den enda rapporterade beteendeeffekten är från Hnasko et al. papper. De visar att möss som saknar VGLUT2 i dopaminneuroner rinner runt mindre i svar på kokain än normala möss. Det är det för nu. Om inget annat visar det hur mycket mer vi måste lära oss om fenomenet sändarsamfrisättning.

Hittills har vi sett att dopaminneuroner kan signalera olika saker om de är anslutna till olika hjärnkretsar och att de kan spela sin tilldelade roll i en hjärnkrets åtminstone delvis med andra kemikalier än bara dopamin. I den tredje raden av forskning ska jag undersöka här, vi lägger till ytterligare ett lager av riktigt cool komplexitet till bilden: Dopaminneuroner kan förändra sättet att de deltar i en hjärnkrets genom att ändra huruvida de gör och inte släppa dopamin alls. I detta fall, Dulcis et al. tittade på en något annorlunda grupp dopaminneuroner från de jag har pratat om hittills, i hypotalamusen. De märkte att antalet dopaminneuroner hos råttor tycktes fluktuera med längden på "dagsljus" som upplevdes av råttorna. Jag sätter dagsljus i citat eftersom det inte är riktigt dagslys - bara om lamporna är på i en mycket kontrollerad laboratorieinställning. De flesta labbdjur ser 12 timmar av ljus per dag, men Dulcis et al. har också försökt bara 5 timmar per dag eller upp till 19. Råttor som upplevde långa dagar hade färre dopaminneuroner i deras hypotalamus, medan råttor som upplevde korta dagar hade mer. Vid ytterligare undersökning bestämde de att förändringarna i antalet dopaminneuroner i de olika ljusförhållandena inte berodde på att neuroner dör och föds. Samma neuroner var faktiskt där under alla förhållanden, men de bytte dopamin-ness på eller av. Det är fortfarande oklart varför ljus exponering orsakar dessa förändringar, eller vad de exakta beteendekonsekvenserna är. Råttor som hade långa dagar, och färre dopaminneuroner som resultat, visade depressiva och oroliga beteenden (tänk på att råttor är nattliga och föredrar mörkret). Det gjorde också råttor vars hypotalamiska dopaminneuroner dödades med ett toxin. Om dock dopaminneuronerna dödades med ett toxin medan råttorna fick 12 timmar av ljus per dag och sedan fick råttorna endast 5 timmar av ljus per dag, tidigare rekryterades icke-dopaminerga neuroner för att släppa dopamin och färre depressiva och ängsliga beteenden observerades. Ganska cool! Och viktigare, detta arbete visar att neuroner vi inte ens hade tidigare identifierat som dopaminneuroner kan omvandlas under de rätta förhållandena. Vissa aspekter av våra hjärnor är byggda för att vara stabila, men många förändras hela tiden, så att vi kan internalisera och anpassa sig till vår erfarenhet.

Efter alla dessa studier, vad har vi lärt oss? För mig är den stora bilden takeaway att förståelsen av hjärnan innebär att man uppskattar komplexitet. För att vara något mer specifikt betyder det att man kopplar molekyler och celler med kretsar och beteenden för att ge definitioner av biologiska enheter som spänner över studieformer. Inget mer gruppering av neuroner enbart av en neurotransmittor som de kan frigöra. Den grupperingen kan ibland fortfarande vara relevant, men som vi har sett i ovanstående studier, inte alltid. Tänk på att omdefiniera gruppen formellt känd som dopaminneuroner, vi behöver också titta tillbaka i decennierna av tidigare litteratur med det perspektiv som efterhand ger. Det är inte så att data i äldre dopaminneuronstudier är felaktiga, men slutsatser kan inte vara ganska vad vi trodde att de var. Vilket kan vara bra. Många arcane argument om exakt vad dopaminneuroner kodar kan faktiskt komma att lösas genom att förstå att de gör många olika saker i olika sammanhang. Var inte orolig: det kan tyckas förvirrande, men det här är den vanliga vetenskapliga processen som förfaller. Processen är inte bara normal, det är helt avgörande. Forskare måste ständigt fråga och revidera våra definitioner för att återspegla betydande konceptuella framsteg.

Definitioner kan vara förvirrande. De kan också vara ganska tråkiga, och jag oroar mig för att de för ofta kör människor borta från vetenskapen. När jag var en biologistudent, spenderade jag timmar på timmar att göra flashcards för att hjälpa mig att memorera vad som tycktes som oändliga definitioner. Jag såg den som en tråkig men nödvändig inledning till biologklubben. I grund och botten, även om det var typ av stunk, sa jag till mig att jag var tvungen att lära mig ordförrådet för att kunna diskutera högre orderproblem med arbetsforskare. Vad jag har kommit att uppskatta när jag har utvecklats vidare i min karriär är hur nyanserad de när det är svart och vitt, rätt eller felaktiga definitioner är - hur mycket subtilitet och historia är förpackade i dem. Vetenskapliga definitioner, precis som definitionen av en dopaminneuron, ger inte bara ett gemensamt språk. de strukturerar själva karaktären av våra undersökningar. Vi behöver denna struktur för att kunna fortsätta med våra experiment, men vi måste också vara medvetna om hur dessa definitioner kan begränsa oss. Vi jämförde definierade grupper med varandra. Vi pratar om gruppmedelvärden. Så exakt vilka saker som ingår i våra grupper kan dramatiskt påverka hur våra data ser ut och vad vi bestämmer för att de betyder. Således måste vi alltid vara medvetna om de företeelser som är inneboende i våra kategoriseringar. Kanske är definitioner inte så tråkiga trots allt! Diskussioner om dessa försummelser kan spice up intro kursmaterial ganska lite medan du lär eleverna hur man tänker som riktiga forskare.

Den specifika frågan om att definiera neuroncellstyper visar sig vara ganska aktuell. Bara ett par veckor sedan, den första delårsrapport från arbetsgruppen för BRAIN-initiativet kom ut (se även Astra Bryants inlägg på ämnet). I det beskrivs nio högprioriterade forskningsområden för FY 2014, den första av dessa är "generera en folkräkning av celltyper". Rapporten erkänner de problem som jag har diskuterat här:

Det finns ännu inte enighet om vad en neuronal typ är, eftersom en mängd olika faktorer, inklusive erfarenhet, anslutning och neuromodulatorer kan diversifiera molekylära, elektriska och strukturella egenskaper hos initialt liknande neuroner. I vissa fall kan det inte ens vara skarpa gränser som skiljer undertyper från varandra. Det finns emellertid övergripande överenskommelse om att typer kan definieras preliminärt av invariant och allmänt inneboende egenskaper och att denna klassificering kan ge en bra utgångspunkt för en folkräkning. Således bör folkräkningen börja med väl beskrivna stora klasser av neuroner (t.ex. exciterande pyramidala neuroner i cortexen) och fortsätt sedan till finare kategorier inom dessa klassificeringar. Denna folkräkning skulle tas med kunskap om att det i början kommer att vara ofullständigt och kommer att förbättras över iterationer.

Svaret på frågan "Vad är en dopaminneuron?" Är inte riktigt kommande, men ett högprofiligt erkännande av frågan, och den finansiering som ska följa den är ett viktigt första steg. Skål till det.