กฎระเบียบนอกเยื่อหุ้มสมองด้านหน้าของการเปลี่ยนแปลงวงจรสมองทั่วและพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับการให้รางวัล (2016)

วิทยาศาสตร์ 1 มกราคม 2016: ฉบับที่ หมายเลข 351 6268

DOI: 10.1126 / science.aac9698

1. Emily A. Ferenczi¹,²,*,
2. Kelly A. Zalocusky¹,²,*,
3. Conor Liston³,*,
4. โลแกน Grosenick¹,²,
5. Melissa R. Warden⁴,
6. Debha Amatya¹,
7. Kiefer Katovich⁵,
8. Hershel Mehta⁵,
9. Brian Patenaude⁶,
10. Charu Ramakrishnan¹,
11. Paul Kalanithi⁷,
12. Amit Etkin⁶,
13. Brian Knutson⁵,
14. Gary H. Glover⁸,
15. Karl Deisseroth¹,⁴,⁹,†

นามธรรม

แรงจูงใจในการให้รางวัลเป็นตัวผลักดันพฤติกรรมการปรับตัวในขณะที่การรับรู้และประสบการณ์จากการได้รับรางวัล (แอนดีโดเนีย) สามารถนำไปสู่โรคทางจิตเวชรวมถึงโรคซึมเศร้า เราพยายามที่จะทดสอบสมมติฐานที่ว่าเยื่อหุ้มสมอง prefrontal cortex (mPFC) ควบคุมการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่ subcortical เฉพาะที่ควบคุมการตอบสนองด้วยความชอบ จากการใช้การถ่ายภาพด้วยเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์แบบแม่เหล็กที่ใช้ในการถ่ายภาพในระดับท้องถิ่น แต่แสดงให้เห็นภาพกิจกรรมของระบบประสาทในหนูขาวเราพบว่าการกระตุ้นโดปามีนเซลล์ประสาททำให้เกิดการเต้นของทารกในขณะที่ mPFC overactivity mPFC เรื้อรังนี้ยังคงยับยั้งพฤติกรรมที่ได้รับรางวัลแรงจูงใจตามธรรมชาติและก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์การทำงานของสมองที่เฉพาะเจาะจงใหม่ซึ่งคาดการณ์ระดับของ Anhedonia ในบุคคล การค้นพบเหล่านี้อธิบายถึงกลไกที่ mPFC ปรับเปลี่ยนการแสดงออกของพฤติกรรมการแสวงหารางวัลโดยการควบคุมการปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างภูมิภาค subcortical ที่ห่างไกลที่เฉพาะเจาะจง

วิธีในการปรับการแสวงหารางวัล

สมองส่วนใดบ้างที่มีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงกับพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับรางวัล? เฟเรนซีและคณะได้ผสมผสานการกระตุ้นเซลล์เฉพาะจุดด้วยแสงเข้ากับการถ่ายภาพสมอง การทดสอบพฤติกรรม และการบันทึกคลื่นไฟฟ้าในสัตว์ทดลอง (ดูบทความเชิงมุมมองโดยร็อบบินส์) การกระตุ้นเซลล์ประสาทโดปามีนในสมองส่วนกลางเพิ่มกิจกรรมในบริเวณสมองที่เรียกว่า สไตรอาตัม และมีความสัมพันธ์กับการแสวงหารางวัลในสัตว์แต่ละตัว อย่างไรก็ตาม การกระตุ้นบริเวณที่เรียกว่า คอร์เทกซ์ส่วนหน้าผากด้านใน ลดทั้งการตอบสนองของสไตรอาตัมต่อการกระตุ้นเซลล์ประสาทโดปามีน และแรงขับทางพฤติกรรมในการแสวงหาการกระตุ้นเซลล์ประสาทโดปามีน สุดท้าย การปรับการกระตุ้นของเซลล์ประสาทพีระมิดในคอร์เทกซ์ส่วนหน้าผากด้านใน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการประสานกันของวงจรประสาท รวมถึงพฤติกรรมที่ไม่รู้สึกยินดีที่สอดคล้องกัน การสังเกตเหล่านี้คล้ายคลึงกับลักษณะทางภาพถ่ายและทางคลินิกที่พบในภาวะซึมเศร้า การเสพติด และโรคจิตเภทในมนุษย์

บทนำ

ไดรฟ์ที่จะแสวงหาและสัมผัสกับรางวัลจะได้รับการสงวนไว้ทั่วสปีชีส์และในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นเกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบโดปามินอิกน้อยและโครงสร้างลิมบิกเช่นสไตรตัม การด้อยค่าของกระบวนการนี้สังเกตได้จากหลายเงื่อนไขของโรคทางจิตเวชเป็นอาการทางคลินิกของโรคโลหิตจาง (การสูญเสียความเพลิดเพลิน) กลไกของระบบประสาทที่เกี่ยวกับ Anhedonia นั้นไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่อาจเป็นผลมาจากการปฏิสัมพันธ์ที่ผิดปกติระหว่างเยื่อหุ้มสมองและวงจรรางวัลย่อย เราพยายามที่จะทดสอบสมมติฐานที่ว่าเยื่อหุ้มสมอง prefemal cortex (mPFC) ถูกปลุกปั่น (ลักษณะทางคลินิกที่เกี่ยวข้องกับ anhedonia) ออกแรงควบคุมการกดทับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างสอง subcortical ที่ห่างไกล: dopaminergic midbrain และ striatum

หลักการและเหตุผล

การศึกษาการถ่ายภาพทางคลินิกได้ตรวจพบกิจกรรมที่เพิ่มขึ้นของ mPFC ในผู้ป่วยที่เป็นโรคซึมเศร้าและการรักษามีความสัมพันธ์กับการทำให้เป็นปกติของการเกิดอาการเกินจริงนี้ นอกจากนี้การศึกษาของมนุษย์ได้ระบุพื้นที่ของสมองที่ตอบสนองต่อการคาดหวังและประสบการณ์และการตอบสนองนี้สามารถระงับได้ในโรคทางจิตเวช อย่างไรก็ตามแหล่งที่มาของสัญญาณรางวัลนี้และกลไกที่อยู่ภายใต้การปรับไม่ได้แสดงให้เห็นถึงเหตุผล เราได้รวมเครื่องมือออพโตจีเนติกแบบเรื้อรังและแบบเฉียบพลันเข้ากับการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (fMRI) เพื่อสร้างสะพานเชื่อมระหว่างสาเหตุความจำเพาะของเซลล์ของออพโทเจเนติกของหนูและการสังเกตทางสมองที่เป็นลักษณะเฉพาะของมนุษย์ เห็นภาพกิจกรรมของระบบประสาทเพื่อทำความเข้าใจกฎระเบียบของพฤติกรรมการแสวงหารางวัล

ผลลัพธ์

เราแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นของเซลล์ประสาทโดปามีนในสมองส่วนกลางนั้นขับเคลื่อนทั้งกิจกรรม fMRI ระดับออกซิเจนในเลือดในแนวตั้ง (BOLD) และพฤติกรรมการแสวงหารางวัลและเราแสดงให้เห็นว่าสิ่งเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันระหว่างบุคคล นอกจากนี้เรายังพบว่าการปิดกั้นของโดปามีนเซลล์ประสาทยับยั้งกิจกรรมใน striatum เช่นเดียวกับในพื้นที่สมองอื่น ๆ (เช่นมลรัฐ) และกระตุ้นพฤติกรรมการหลีกเลี่ยง หลังจากได้สร้างการควบคุมแบบสองทิศทางของพฤติกรรมการแสวงหารางวัลเราจึงทดสอบการก่อกวนของวงจรนี้ผ่านการยกระดับความตื่นเต้นง่ายของ mPFC เราสังเกตการปราบปรามของการตอบสนองที่ชัดเจนต่อโดปามีนรวมถึงการขับเคลื่อนพฤติกรรมเพื่อค้นหาโดปามีนกระตุ้นเซลล์ประสาทและสิ่งเร้าอื่น ๆ ที่ให้รางวัลตามธรรมชาติ ในที่สุดเราแสดงให้เห็นว่าการปลุกปั่น mPFC ที่เพิ่มขึ้นอย่างเสถียรประสานกิจกรรม BTC และ corticolimbic electrophysiological ซึ่งสามารถทำนายพฤติกรรม anhedonic ในสัตว์แต่ละตัว

สรุป

การค้นพบของเราจากการทดลองที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมเฉพาะเซลล์ในพื้นที่พร้อม ๆ กับการสังเกตกิจกรรมทางประสาทส่วนกลางทั่วโลกเผยให้เห็นว่า mPFC ออกแรงควบคุมจากบนลงล่างมากกว่าการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโดปามีนกับ dopaminergic midbrain กับ striatum - พฤติกรรมที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้เราสังเกตเห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของระบบประสาทคอร์ติคอล subcortical ในคอนเสิร์ตเพื่อควบคุมการประมวลผลรางวัล การค้นพบทั้งหมดนี้มีผลกระทบต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสรีรวิทยาและพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับการให้รางวัลตามธรรมชาติเช่นเดียวกับการเกิดโรคของแอนโธนี

Optogenetic fMRI ถูกใช้เพื่อจัดการในระดับท้องถิ่นและเห็นภาพกิจกรรมของระบบประสาททั่วสมองที่เกี่ยวข้องกับการให้รางวัล หนูฮัเบเคอเรตถูกสแกนในสภาวะตื่นตัว (ภาพบนสุด) เราพิสูจน์ว่ากิจกรรม striatal BOLD นั้นเพิ่มขึ้นโดยการกระตุ้น optogenetic ของเซลล์ประสาทโดปามีนและลดลงโดยการทำให้สมองสงบ เราแสดงให้เห็นว่าการปลุกปั่น mPFC ที่เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันยับยั้งพฤติกรรมการแสวงหารางวัลโดยออกแรงควบคุมจากบนลงล่างสำหรับกิจกรรมที่กระตุ้นโดปามีนจากต้นกำเนิดและกระตุ้นให้เกิดการซิงโครไนซ์ระหว่างวงจร corticolimbic