Декодування нейронних ланцюгів, які керують компульсивним пошуком сахарози (2015) (BINGE MECHANISM)

Для того, щоб ідентифікувати нейрони ЛГ, які забезпечують моносинаптичний вхід у VTA in vivo та спостерігати за їх активністю під час вільно рухається поведінки, ми використовували стратегію подвійного вірусу для вибіркової експресії канадродопсину-2 (ChR2) у нейронах ЛГ, що забезпечує моносинаптичний вхід до VTAФігури 1А і S1). Ми вводили адено-асоційований вірусний вектор (AAV₅) перенесення ChR2-eYFP у залежній від Cre-рекомбінази конструкції подвійного перевернутого відкритого зчитування (DIO) у ЛГ для зараження місцевих сом і ін’єкція ретроградуючого вірусу простого герпесу (HSV), що несе Cre-рекомбіназу у VTA. Подальша рекомбінація дозволила селективно експресувати опсин та флуорофор у нейронах ЛГ, забезпечуючи моносинаптичний вхід у VTA. Для підтвердження нашого підходу ми провели ex vivo записи цільноклітинних пластирних затискачів у горизонтальних зрізах мозку, що містять LH, і записаних з нейронів, що експресують ChR2-eYFP, а також сусідніх нейронів LH, які були ChR2-eYFP негативними (Фігура 1Б). Затримки спайку, що викликаються світлом, вимірювані від початку світлового імпульсу до піку потенціалу дії, коливалися від 3–8 мс (Фігура 1В). Ми також виявили, що жодна з неекспресуючих (ChR2-негативних) клітин не виявляла збудливих реакцій на фотостимуляцію (n = 14; Фігура 1C), незважаючи на їх близькість до ChR2-экспрессирующим клітинам.

Для проведення оптогенетично опосередкованої фотоідентифікації in vivo в ЛГ імплантували оптрод для реєстрації нейрональної активності під час завдання пошуку сахарози. У тому ж сеансі запису ми запропонували кілька моделей фотостимуляції для ідентифікації ChR2-експресуючих нейронів LH-VTA (Фігури 1D і S1). Ми дослідили розподіл латентностей збуджуючих фотореакцій у всіх нейронах LH, що відображає зафіксовану часом зміну швидкості випалу у відповідь на освітлення і спостерігається бімодальний розподіл (Фігура 1Д). Ми спостерігали популяцію нейронів під час записів in vivo із затримками в діапазоні 3–8 мс. Це було ідентично діапазону латентності, виявленому у нейронах LH-VTA, що експресують ChR2, коли ми реєстрували ex vivo. Ми назвали ці одиниці одиницями типу 1 (Фігури 1C, 1E та 1F). Крім того, існувала чітка популяція клітин із затримками фотовідповіді ~ 100 мс (Фігури 1E та 1G), і ми назвали ці одиниці "Type 2". Ми також спостерігали нейрони, які інгібувалися у відповідь на фотостимуляцію нейронів LH-VTA (Рисунок S2), і ми назвали ці одиниці "Type 3". Ми порівняли тривалість потенціалу дії (виміряну від піку до низу) і середні показники випалу типів 1 і типів 2, а також ті, які не показали фотовідповідності (Фігура 1H). Розподіл тривалості потенціалу дії типу 1 (Фігура 1I) та тип 2 (Фігура 1J) одиниці показує, що більшість одиниць типу 1 мають тривалість потенціалу дії менше 500 мкс (84%; n = 16/19, біноміальний розподіл, p = 0.002).

Хоча одиниці типу 1 відповідають стандартним критеріям для класифікації як експресуючих ChR2 (Cohen et al., 2012, Zhang et al., 2013), було неясно, чи довша латентна фотовідповідь одиниць типу 2 вказує на нейрони, що експресують ChR2, які реагували повільніше до фотостимуляції, або чи цей ефект був зумовлений мережевою активністю. Враховуючи те, що нейрони LH, що експресують ChR2 (тип 1), безпосередньо проектуються на VTA, одна з можливостей полягала в тому, що нейрони типу 2 отримували зворотний зв'язок від VTA (Фігура 1K). Інша можливість полягала в тому, що нейрони нейронів типу 2 активувалися за допомогою колазонів аксона з нейронів типу 1 (Фігура 1L). Для диференціації цих двох можливих модельних схем ми пригнічували VTA у поєднанні з фотоідентифікацією в LH.

Виходячи з наших модельних схем, ми очікуємо, що дистальне інгібування не вплине на фотовідповідачі нейронів LH, що експресують ChR2. Проте, якщо фотореактивний, але не експресуючий, LH-нейрони спираються на зворотний зв'язок від VTA, щоб викликати затримку в часі відповіді на освітлення (Фігура 1K), ми очікуємо послаблення фотореакцій у цих нейронах при інгібуванні VTA. Ми экспрессировали ChR2 в LH-VTA клітинах, як описано вище, але в цей час також експресували посилений галордопсин 3.0 (NpHR) у VTA і імплантували оптичне волокно в VTA на додаток до оптроду в LH (Фігура 2А). Для всіх трьох епох ми доставляли ті ж самі схеми освітлення синього світла, що й у трьох епохах, але також і фотоінгібували ВТА жовтим світлом у другу епоху (Фігура 2А).

Фотореактиви одиниць типу 1 до освітлення синього світла в LH не впливали на фотоінгібіцію VTA, що узгоджується з експресією ChR2 у нейронах типу 1 LH-VTA (Фігура 2Б). На відміну від цього, більшість одиниць типу 2 (87%; n = 13/15, біноміальний розподіл, p = 0.004) показали значне послаблення фотовідповідей на імпульси синього світла, що надходять у ЛГ при фотоінгібуванні нейронів VTA. Відповіді одиниць типу 1 і типу 2 під час фотоінгібування VTA були суттєво різними (хі-квадрат = 7.64, p = 0.0057; Фігури 2B і 2C). Ці відмінності також можна побачити в максимальних оцінках Z протягом окремих епох (Фігура 2D) і з епохою жовтого кольору, нормалізованої до епохи жовтого відключення (Фігура 2Е). Ці дані дозволяють припустити, що нейрони типу 2 LH отримують введення (безпосередньо або опосередковано) від VTA (Фігура 1K), а не через місцеві колантали аксона (Фігура 1L).

Ідентифікувавши два різних типи нейронів LH в циклі LH-VTA, ми хотіли вивчити природну нервову активність під час завдання самозарядки сахарози (Фігура 3А). Мишей навчали виконувати носові відповіді для підказки, що передбачає доставку сахарози в сусідньому порту (як у Tye et al., 2008). Щоб дозволити нам диференціювати нейронні реакції на носовий тиск і кий, кий і сахароза доставлялися за частковим графіком підкріплення, де 50% носових ударів були поєднані з доставкою кий і сахарози.

Одиниці типу 1 показали фазові відповіді на вхід сахарозового порту, як це було показано у типовому блоці Type 1 (Фігура 3B), а також дані про населення для всіх типів 1 (Фігура 3В). Фазові відповіді пристроїв типу 2, однак, головним чином відображають відповіді на попереджувальний сигналФігури 3D і 3E). Нормалізовані схеми стрільби всіх зареєстрованих нейронів (n = 198, розділені на типи 1, 2, 3 та одиниці, що не реагують) відображаються для кожного компонента завдання: носові удари в парі з києм, носові тиски за відсутності репліки та вхід в порт сахарози (Фігура 3F). Всі одиниці типу 1, які демонстрували фазові зміни активності, що відповідають завданням (74%; n = 14/19), були або фазично збуджені, або загальмовані входом в порт сахарози, причому невелика кількість також демонструвала фазове гальмування для сигналу, що передбачає нагороду (Фігури 3B, 3C і 3G). На відміну від цього, одиниці типу 2 були більш гетерогенними, з чутливими до завдань нейронами, що кодують cue вибірково (35%), вхідний запис сахарози вибірково (26%), або як запис cue і port (12%; Фігури 3D, 3E і 3H). Щоб проілюструвати силу відповідей блоків типів 1 і Type 2 на події, пов'язані з завданнями, ми побудували кожну клітинку на тривимірному графіку відповідно до Z-результату (Фігура 3I). Щоб показати розподіл фазових змін при стрільбі на декілька подій, пов'язаних з завданням, на якісному рівні, нанесено число клітин кожного типу фотовідповіді, які потрапили в дану категорію (Фігура 3J).

Беручи до уваги чітко визначену роль VTA у помилці прогнозування винагороди (наприклад, фазове зменшення стрільби нейроном DA у відповідь на несподіване пропуск винагороди та фазове збудження у відповідь на несподівану доставку винагороди) (Schultz et al., 1997), ми досліджували, чи будуть нейрони ЛГ кодувати несподіване пропуск винагороди за сахарозу. Для цього ми реєстрували нейронну активність нейронів, що реагують на фото, під час того самого завдання з нагородженням у добре дресированих тварин, але випадковим чином пропустили 30% доставки сахарози після реплікиФігура 4А).

Більшість одиниць типу 1 (88%; n = 15/17, біноміальний розподіл, p = 0.001) не були чутливими до пропуску винагороди (Фігури 4B і 4D), тоді як велика підмножина одиниць типу 2 (67%; n = 12/18) продемонструвала суттєво різну реакцію на випробування, представлені винагородою та опущені винагородою (Фігури 4C і 4D). Ми дійшли висновку, що нейрони LH-VTA (Type 1) кодують дію входу в порт, оскільки ці відповіді на вхідні порти були стійкими навіть при упущенні винагороди (Фігура 4D), на відміну від одиниць типу 2 (хі-квадрат = 10.9804, p = 0.0009).

Щоб визначити, чи відповіді типу 1 на вхід до порту дійсно кодували умовну відповідь (CR), на відміну від загального пошуку винагороди або дослідницької поведінки, ми записували в непідготовлених мишей, які ще не отримали завдання. У наївних мишей ми поставили сахарозу до порту за відсутності прогностичного сигналу (непередбачувана доставка винагороди) і виявили, що одиниці типу 1 не показували фазові відповіді на запис порту (Фігури 4E, 4F і 4I), узгоджені з моделлю, що нейрони нейронів типу 1 кодують CR (Фігура 4J).

Далі, щоб визначити, чи активність одиниць типу 2 узгоджується з профілем відповіді, що відповідає помилковому прогнозуванню, ми також записували ці нейрони у добре підготовлених тварин під час непередбаченої доставки винагороди (Фігура 4G). Ми виявили, що частина підрозділів типу 2 реагувала на непередбачувані поставки сахарози (50%; Фігури 4G – 4I). Взяті разом, підмножини одиниць типу 2 чутливі до несподіваного упущення винагороди (Фігури 4C і 4D) і непередбачувану доставку винагороди (Фігури 4G – 4I), що узгоджується з профілем відповіді з помилковим прогнозуванням винагороди.

Як ми вже показали вище, одиниці типу 1 являють собою нейронні кореляти CR. Важливо, що збільшення швидкості стрільби починається до ЧР, збільшуючись до завершення КР (Фігури 3B, 3C, і 4B). Щоб визначити, чи активація шляху LH-VTA може сприяти підвищенню CR, ми хотіли перевірити здатність активації LH-VTA при керуванні CR в умовах негативного наслідку. У мишей дикого типу ми експресували ChR2-eYFP або eYFP окремо в органах клітин LH і імплантували оптичне волокно над VTA (Фігури 5А і S4). І навпаки, для перевірки ролі шляху LH-VTA у опосередкуванні CR або поведінки, пов’язаної з годуванням, ми двобічно експресували NpHR-eYFP або eYFP поодинці в клітинах LH та імплантували оптичне волокно над VTA (Фігури 5А і S4).

Ми розробили задачу кондиціонування в Павлові, в якій мишам, позбавленим їжі, доводилося перетинати ударну сітку, щоб отримати винагороду сахарози (Фігура 5Б). У першу «базову» епоху (при відключеній ударній сітці) ми перевірили, що кожна миша отримала завдання павловського умовного підходу. У другу епоху ("Шок") ударна сітка щосекунди доставляла помірні поштовхи ногами. Нарешті, у третю епоху («Шок + Світло») ми продовжували наносити удари ногами, але також освітлювали LH-термінали в VTA синім світлом (10 Гц) у мишей, що виражали ChR2 та відповідні елементи керування eYFP та жовте світло (постійне) для мишей, що експресують NpHR та їх контроль eYFP (Фігура 5B).

Ми спостерігали значно більшу кількість портових записів на кожну епоху під час епохи Shock + Light і значно більшу різницю (Shock + Light epoch - Shock-only epoch) у мишей ChR2 щодо мишей eYFP (Фігура 5С і Фільм S1). На відміну від цього, фотоінгібування шляху LH-VTA призвело до значного зменшення записів порту на показники різниці і різниці в мишах NpHR щодо мишей eYFP (Фігура 5D і Фільм S2). Експерименти з вимирання в сеансі, протягом яких презентації кия не супроводжувалися поставками сахарози, показали подібні тенденції (Рисунок S4).

Важливо, що ми хотіли визначити, чи були зміни в пошуку цукрози, які ми отримали, спричинені змінами в поведінці, пов'язаній з годуванням, або чутливістю до болю. Ми спостерігали, що фотоактивація проекції LH-VTA значно збільшила час годування мишей у групі ChR2 (Фігура 5Е). Проте фотоінгібування шляху LH-VTA не суттєво зменшило харчування (Фігура 5F), навіть незважаючи на те, що ці тварини були позбавлені їжі для посилення нашої здатності виявляти зниження щодо епохи базової лінії (порівняйте з насиченими тваринами в Фігура 5Е). Ні в ChR2 (Фігура 5G) або група NpHR (Фігура 5З) чи спостерігали ми різницю в латентності відведення хвоста від гарячої води (Ben-Bassat et al., 1959, Grotto and Sulman, 1967), вказуючи на те, що маніпулювання проекцією LH-VTA не міняло знеболення.

Для вивчення складу компонентів швидкої передачі входів LH до VTA, які викликали ці ефекти, ми провели записи цільноклітинних патч-затискачів з нейронів VTA в гострій зрізовій підготовці, одночасно оптично активуючи входи LH, що експресують ChR2-eYFP (Фігури 6А і S5). Враховуючи, що всередині VTA існує добре встановлена ​​неоднорідність, включаючи ~ 65% нейронів DA, ​​~ 30% нейронів GABA та ~ 5% нейронів глутамату (Margolis et al., 2006, Nair-Roberts et al., 2008, Yamaguchi et al., 2007), під час запису ми заповнювали клітини біоцитином, щоб забезпечити ідентифікацію типу клітин, використовуючи пост-hoc імуногістохімію для гідроксилази тирозину (TH; Фігура 6B), крім запису гиперполяризационно-активованого катіонного струму (I_h) і відображення місцезнаходження комірки (Фігури 6В і S5).

По-перше, ми зафіксували струмовий затиск під час фотостимуляції входів LH, що експресують ChR2, і спостерігали, що 23 нейронів 27 показав реакцію, що зафіксувала час, до фотостимуляції входів LH (Фігура 6В). Більшість DA нейронів, відібраних у VTA, отримували чистий збуджуючий вхід від LH (56%), тоді як інша підмножина показала чисте інгібування (30%; Фігура 6В). Просторовий розподіл цих DA нейронів відображається на атлас для горизонтальних зрізів, що містять VTA (Фігура 6D).

Щоб встановити моносинаптичний внесок входів LH до нейронів VTA DA, ми використали картографування схем за допомогою ChR2, де реєстрували затискачі напруги у присутності тетродотоксину (TTX) та 4-амінопіридину (4AP; Petreanu et al., 2007) . Відповідно до наших спостережень із записів струмових затискачів, ми спостерігали, що більшість записаних нейронів VTA DA отримували виключно збудливий моносинаптичний вхід від LH (67%), порівняно з нейронами VTA DA, які отримували виключно гальмівний моносинаптичний вхід (11%), або обидва (22%; Фігури 6Е і S6).

Ми ідентифікували нейрони VTA GABA, вводячи Cre-залежний флуорофор (AAV₅-DIO-mCherry) у VTA мишей VGAT :: Cre та використовував експресію mCherry для спрямування запису нейронів VTA GABA (n = 24; Фігура 6F). Сорок шість відсотків нейронів VTA GABA відповіли чистим збудженням, тоді як 54% відповіли чистим інгібуванням до фотостимуляції LH входів, що експресують ChR2 (Фігура 6G). Просторовий розподіл цих клітин показаний на рис Фігура 6H. Після вивчення моносинаптичного входу з ЛГ (як описано вище), ми виявили, що 18% вибіркових нейронів ГАМК отримали виключно збуджувальний вхід, а 9% отримував виключно інгібіторний вхід (Фігура 6I). Однак щодо нейронів VTA DA ми виявили, що більше нейронів VTA GABA отримували як збудливий AMPAR, так і інгібуючий GABA_AR-опосередковане моносинаптичне введення з ЛГ (73%; хі-квадрат = 5.0505, p = 0.0246; Фігури 6я і S6).

З огляду на те, що наші записи ex vivo надали докази, що підтверджують надійне введення як VAB, так і GABAergic та глутаматергічних прогнозів LH, ми далі досліджували роль кожного компонента незалежно. Для цього ми використовували трансгенні лінії миші, що експресують Cre-рекомбіназу в нейронах, які експресували або везикулярний транспортер глутамату 2 (VGLUT2), або везикулярний транспортер GABA (VGAT). Ми ввели AAV₅-DIO-ChR2-eYFP або AAV₅-DIO-eYFP в LH мишей VGLUT2 :: Cre і VGAT :: Cre і імплантували оптичне волокно над VTA (Рисунок S7). Потім цих тварин виконували на кожному з поведінкових аналізів, показаних на фіг Фігура 5.

Ми не спостерігали будь-яких виявлених відмінностей у кількості записів порту, зроблених на підставі між мишами, що виражають ChR2 або eYFP в LH^{перенасичення}-ВТА проекції (Фігура 7А) або в ЛГ^GABA-ВТА проекції (Фігура 7B). Проте, після відео-аналізу, ми помітили невідповідну грипозну поведінку в ЛГ^GABA-VTA: Група ChR2 при підсвічуванні синього світла (див Фільми S3 та S4). У ЛГ^{перенасичення}-VTA миші, хоча спостерігалася тенденція до зменшення харчування після фотостимуляції в групі ChR2 порівняно з групою eYFP, це не було статистично значущим (Фігура 7В). На відміну від цього, ми спостерігали значне збільшення часу, витраченого на харчування у насичених мишей при освітленні в ЛГ^GABA-VTA: група ChR2 щодо контролю (Фігура 7D і Фільм S3). У жодній з груп тварин не було впливу світлової стимуляції в аналізі виведення хвоста (Фігури 7E і 7F).

Під час годівлі, як ми це робили під час задачі з пошуком сахарози, ми знову помітили невідповідні рухові послідовності, які не були спрямовані на їжу. Ми знімали представника миші в ЛГ^GABA-VTA: Група ChR2 у порожній прозорій камері, і після 20 Гц фотостимуляції ми спостерігали незвичні апетитні моторні послідовності, такі як лизання та гризлі підлогу або порожній простір (Фільм S4). Ми зазначили кількісну оцінку цих “гризних” поведінок під час завдання годування у дикого типу LH-VTA (Фігура 7G), LH^{перенасичення}-VTA (Фігура 7H), і LH^GABA-VTA (Фігура 7I) групи і показали, що ЛГ^GABA-VTA: мишей ChR2 гризуть більше, ніж дикого типу або LH^{перенасичення}-VTA: миші ChR2 при фотостимулировании порівняно з їхніми групами eYFP (Фігура 7J). Ми розглядали, чи може аберантна поведінка, пов'язана з харчуванням, бути відокремлена від відповідним чином спрямованого годування на більш низьких частотах. Однак, коли ми тестували ЛГ^GABA-VTA: Група ChR2 з 5 Гц та 10 Гц поїздами синього світла, ми спостерігали пропорційну залежність між частотою стимуляції та як годуванням, так і згризанням (Фігура 7K).

Проекція LH до VTA була досліджена з дослідженнями зіткнення електричної стимуляції (Bielajew та Shizgal, 1986) і довгий час була висунута гіпотеза про те, що вона відіграє певну роль в обробці винагороди (Hoebel і Teitelbaum, 1962, Margules і Olds, 1962), але визначивши це Роль була проблемою. Тут ми надаємо детальний розбір того, як окремі компоненти циклу LH-VTA обробляють різні аспекти завдання, пов'язаного з винагородою.

Завдяки використанню оптиогенно-опосередкованого фотоматеріалу (Фігура 1), ми виділили дві окремі популяції нейронів LH: клітини, які посилають проекції на VTA (тип 1) і клітини, які отримують зворотний зв'язок від VTA (тип 2; Фігура 2) - хоча ці популяції не обов'язково повинні бути взаємовиключними, оскільки можливо, що нейрони LH можуть надсилати і отримувати входи до і з ВТА. Цікаво, що ми виявили, що порівняно мало фотореактивних нейронів вийшли за межі бімодального розподілу, що інкапсулює ці дві популяції (Цифри S2В і 1Д). Враховуючи це, у поєднанні з великою затримкою затримки у фотовідповідях типу 2 (~ 100 мс), ми припускаємо, що може існувати один домінантний шлях, що сприяє активності нейронів типу 2. Крім того, оскільки DA пов'язує рецептори, пов'язані з білками G, кінетика є повільнішою, ніж більшість глутаматергічних синапсів (Girault and Greengard, 2004), і це може пояснити цю групу фотореактивних одиниць затримки 100 мс. Можливо також, що VTA може забезпечувати непрямий зворотний зв'язок через інші дистальні області, через проміжні збудливі ділянки, такі як мигдалина, або з дезінгібуванням через ядро ​​акумулятора (NAc) або ядро ​​ліжка stria terminalis (BNST).

Цікаво, що тоді як фотостимуляція одиниць типу 1 викликає збудливі реакції у одиниць типу 2, одиниці типу 1 та 2 демонструють різні властивості поведінкового кодування. Наприклад, номери одиниць типу 1 і типу 2, які вибірково кодують репліку з передбаченням винагороди, суттєво відрізняються (n = 0/19 типу 1 проти n = 12/34 типу 2, хі-квадрат = 8.67, p = 0.003) . Ця парадоксальна схема реагування може бути зумовлена ​​обчислювальними процесами на проміжному елементі схеми, такому як VTA, який може відігравати активну роль під час поведінкового завдання, але неактивний під час фототегування. Крім того, поведінковий стан тварини може вплинути на спосіб обробки цих даних.

Наші експерименти з відхилення від винагороди дозволили розрізнити LH нейронне кодування CR і споживання безумовного стимулу (US). У цих експериментах підгрупа одиниць типу 2 реагувала на прогнозовану нагороду (CS) і США і також показала зниження швидкості випалу, коли очікувані винагороди були опущені. Крім того, підмножина пристроїв типу 2 також показують фазове збудження при несподіваній доставці винагороди (Фігури 4G і 4H). Ці дані нагадують про те, як нейрони DA у VTA кодують помилку передбачення винагороди (Cohen et al., 2012, Schultz et al., 1997). Ми припускаємо, що нейрони VTA можуть передавати сигнали про помилки прогнозування винагороди на підмножину нейронів ЛГ, які добре розташовані для інтеграції цих сигналів для визначення відповідного поведінкового результату. Зокрема, ЛГ міцно взаємопов’язаний з безліччю інших областей мозку (Berthoud and Münzberg, 2011) і був причинно пов’язаний з гомеостатичними станами, такими як сон / збудження та голод / ситість (Carter et al., 2009, Jennings et al. , 2013).

Компульсивна поведінка, яка прагне отримати винагороду, в основному обговорювалася в контексті наркоманії, де класичною парадигмою компульсивного пошуку наркотиків було вивчення ступеня, в якому поведінка, яка шукає наркотики, зберігається в умовах негативних наслідків, таких як шок на нозі. (Belin et al., 2008, Pelloux et al., 2007, Vanderschuren and Everitt, 2004). Ми адаптували це завдання для пошуку сахарози, щоб дозволити нам дослідити, чи достатньо активації шляху LH-VTA для сприяння компульсивному пошуку сахарози. З огляду на те, що чітка різниця між наркотиками та природною винагородою полягає в тому, що винагорода за наркотики не потрібна для виживання, існує суперечка щодо того, яка поведінка може становити компульсивну поведінку, спрямовану на пошук сахарози чи їжі. Альтернативна інтерпретація наших даних полягає в тому, що активація шляху LH-VTA просто посилює мотиваційний потяг або бажання шукати апетитних підсилювачів. Оскільки показники ожиріння зростали за останні десятиліття (Mietus-Snyder and Lustig, 2008), компульсивне переїдання та залежність від цукру є переважаючими станами, які є основною загрозою для здоров'я людини (Avena, 2007). Поведінка годування у насичених (повноцінних) мишей після активації шляху LH-VTA нагадує поведінку в їжі, яку спостерігають у людей з діагнозом компульсивний розлад переїдання (або розлад переїдання) (DSM-V).

Було запропоновано, що повторювані дії призводять до формування звичок, які самі призводять до компульсивного прагнення до винагороди, що характеризує залежність (Everitt and Robbins, 2005). Наш висновок про те, що LH-VTA-нейрони тільки кодують вхідний порт після кондиціонування, свідчить про те, що цей шлях вибірково кодує умовну відповідь, а не лише мотивовану дію. Це узгоджується з нашими спостереженнями, що оптична активація цієї проекції може сприяти примусовому винагороді, шукаючи перед негативним наслідком (Фігура 5В), а також при відсутності необхідності (як видно у насичених мишей, \ t Фігура 5Е). Ця інтерпретація додатково обґрунтована нашим висновком про те, що фотоінгібування шляху LH-VTA вибірково зменшує компульсивний пошук сахарози (Фігура 5D), але не зменшує годування у мишей з обмеженим вмістом їжі (Фігура 5F). Одним з найбільших проблем у лікуванні компульсивного переїдання або розладів харчової поведінки є ризик погіршення поведінки в харчуванні в цілому. З трансляційної точки зору, ми, можливо, визначили певну нейронну ланцюг як потенційну мішень для розвитку терапевтичних втручань для компульсивного переїдання або залежності від цукру, не жертвуючи природною поведінкою.

Ми показуємо, що крім глутаматергічного компонента LH-VTA (Kempadoo et al., 2013), у проекції також є значний GABAergic компонент (Leinninger et al., 2009), і що нейрони ЛГ синапсують безпосередньо як на DA, так і на Нейрони ГАМК в VTA (Фігура 6). Однак, існує різниця в балансі збудливого / інгібуючого введення на ВТА DA і нейрони ГАМК.

Хоча ми використовували імуногістохімічну обробку для перевірки ідентичності нейронів VTA, ми також вимірювали I_h, активована гіперполяризацією внутрішньо випрямляючий неспецифічний катіонний струм (Lacey et al., 1989, Ungless and Grace, 2012). Наявність цього струму широко застосовується в електрофізіологічних дослідженнях для ідентифікації нейронів DA, ​​але було показано, що він присутній лише в субпопуляціях нейронів DA, ​​окреслених проекційною мішенню (Lammel et al., 2011). Хоча раніше в огляді Fields та його колег було запропоновано, що "нейрони LH синапсують на проекції VTA до PFC, але не на ті, що проектуються на NAc" (Fields et al., 2007), наші дані пропонують відновити цю суперечку для подальшого розслідування. Незважаючи на те, що ми спостерігали підмножину нейронів DA, ​​які отримували мережеве збудження від ЛГ і мали дуже малий I_h (відповідно до mPFC або NAc медіальних проекційних нейронів ДА), ми також спостерігали підмножину нейронів DA, ​​які отримали чистий збуджувальний вхід і показали велике I_h (узгоджується з характеристиками нейронів DA, ​​що проектуються на бічну оболонку NAc; Рисунок S5; Lammel et al., 2011). І навпаки, нейрони VTA DA, які отримували чистий інгібуючий вхід, показали дуже малий I_h або йому не вистачало цього струму, що узгоджується з уявленням, що LH надсилає переважно інгібуючий вхід на нейрони VTA DA, що проектуються на mPFC або медіальну оболонку NAc. Ми також показуємо, що входи LH можна спостерігати як в медіальній, так і в бічній VTA, припускаючи, що LH забезпечує вхід на нейрони VTA з різними проекційними цілями, оскільки відомо, що ціль проекції VTA дещо відповідає просторовому розташуванню вздовж медіально-латеральної осі ( Lammel et al., 2008).

Роль шляху LH-VTA у підвищенні винагороди раніше приписували глутаматергічній передачі у VTA (Kempadoo et al., 2013), оскільки промотор CaMKIIα часто вважається селективним для збуджуючих нейронів проекції. Однак наші дані чітко показують, що експресія ChR2 під контролем промотору CaMKIIα також націлена на нейрони GABAergic проекції в ЛГ (Фігура 6).

Поведінка, викликане фотостимуляцією LH^GABA-VTA шлях був шалений, неправильно спрямований і неадаптивний (Фільм S4). Одне тлумачення полягає в тому, що активація ЛГ^GABA-VTA шлях відправляє сигнал до миші, що викликає розпізнавання апетитного підсилювача. Альтернативною інтерпретацією є те, що ЛГ^GABA-VTA шлях може стимулювати стимулюючу виразність або інтенсивну «бажання», що узгоджується з обумовленим підходом сигналу, але на нефізіологічному рівні, який призводить до такої аберантної поведінки, пов'язаної з харчуванням (Berridge і Robinson, 2003). Відповідно до цього, можливо, що активація ЛГ^GABA-VTA проекція фактично виробляє інтенсивні відчуття тяги, або закликає годувати. Однак наші експерименти показують, що активація ЛГ^GABA-VTA не призводить до збільшення компульсивного пошуку сахарози, але це, швидше за все, пов'язано з надмірною грипотливою і аберантною апетитною поведінкою, орієнтованою на непродовольчі об'єкти в тестовій камері. Хоча важко визначити досвід миші під час цієї маніпуляції, очевидно, що відповідним чином спрямована поведінка, пов'язана з харчуванням, вимагає скоординованої активації як GABAergic, так і глутаматергічних компонентів шляху LH-VTA.

Оптогенетичні та фармакогенетичні маніпуляції є потужним інструментом для встановлення причинно-наслідкових зв'язків, проте вони не виявляють ендогенних, фізіологічних властивостей елементів нейронних ланцюгів. Наше дослідження об'єднує інформацію про синаптичну зв'язок, природну ендогенну функцію і причинну роль шляху LH-VTA, забезпечуючи новий рівень розуміння того, як інформація інтегрується в цю схему. Ці результати підкреслюють важливість вивчення функціональної ролі нейронів у зв'язку з генетичними маркерами. Нейрони LH-VTA вибірково кодували дію винагороди, але не кодували екологічні подразники, тоді як корисні стимули і передбачувальні сигнали були закодовані дискретною популяцією нейронів LH нижче за VTA. Крім того, ми визначили специфічну проекцію, яка причинно пов'язана з компульсивним поведінкою, що шукає сахарозу, та її поведінкою. Гетерогенність в проекції LH-VTA необхідна для забезпечення адаптивного балансу між мотивацією водіння і регулюванням відповідним чином спрямованої апетитної поведінки. Ці знахідки дають уявлення, що стосуються патологічних станів, таких як компульсивне розлад переїдання, цукрова залежність і ожиріння