在动机行为期间减少神经元抑制和青少年前额叶皮层的协调（2011）

介绍

青春期是一个调整的时期，因为一个人完成身体和社会心理过渡到成年期（Arnett，1999）。 它也被认为是一个脆弱期，因为它与几种主要精神问题的症状出现相吻合，包括情绪障碍，精神分裂症和药物滥用（Volkmar，1996; Pine，2002; Johnston等，2008）。 近年来，青少年人类和动物模型的研究描述了细胞和分子脑结构中与年龄相关的变化以及各种药物的药理作用的差异（Spear and Brake，1983; Spear，2000; Adriani等，2004; Brenhouse等，2008; Paus，2010）。 年龄相关的行为差异也已经过检查，并且经常被关注，尽管青少年行为在大多数情况下往往与成人非常相似，而青春期中期的决策能力只有适度的变化（Spear，2000; Doremus-Fitzwater等，2009; Figner等人，2009; Cauffman等，2010）。 尽管如此，青少年可能会以不同于成年人的方式处理突发事件。 例如，最近的一项研究发现，暴露于与奖赏相关的气味线索后，背部纹状体和伏隔核中的青少年比成人c-fos蛋白表达更强（弗里梅尔等人。 2010）。 还描述了青少年前额叶皮层（PFC）神经活动和连接性测量的差异（恩斯特等人，2006; Galvan等，2006; Liston等人，2006; Geier等，2009; Uhlhaas等人，2009a）。 然而，对神经元水平上这些与年龄相关的差异的确切性质知之甚少。

为了直接比较青少年皮质神经元与成人皮质神经元的动态处理，我们记录了大鼠眶额皮质（OFC）的单位和局部场电位（LFP）活动，因为它们表现出奖励动机。 OFC的目标是因为其在处理价值预期方面的核心作用以及之前在青少年中发展不足的证据（Schultz等人，2000; Galvan等，2006; Schoenbaum等，2009）。 行为任务涉及学习行动 - 结果关联（Sturman等，2010），这是复杂动机行为的基本构建块。 这项任务的简单性允许各组之间的行为测量非常相似。 因此，我们可以检验这样的假设：即使具有相似的任务表现，青少年OFC也会以与成人不同的方式对与任务相关的显着信息进行编码。 表征这种基本的神经活动差异 - 并在神经元水平上这样做 - 对于识别可能与青春期日益增加的神经精神风险相关的发育过程以及未来设计预防和治疗此类问题的干预策略至关重要。

材料与方法

宠物行为研究

成年和青少年大鼠在操作箱装置（Coulbourn Instruments，Allentown，PA）中进行测试，该装置包含室内灯，可以将食物颗粒（强化右旋糖，45 mg; Bio-serv，Frenchtown，NJ）的颗粒杂志送入食物槽和三个鼻子戳孔，水平排列在食物槽对面的墙上。 在手术恢复5-6天后，动物受到轻度食物限制，对行为测试仪器进行习惯，并开始对行为任务进行训练，此前已对其进行了表征（Sturman等，2010）。 简而言之，老鼠学会了戳到照明的中心鼻孔，用于食物颗粒加固。 试验开始于中心鼻尖孔内的提示灯开始。 当大鼠戳入该孔时，光线立即关闭，一个颗粒被送到食物槽，然后被照亮。 进入食物槽以接收颗粒，关闭食物槽灯并触发5-s试验间隔（图1a）。 每次会话在100试验或30 min通过后终止。 以前的工作表明，青少年和成年人都可以快速学习这项任务，并且在第三天训练期间可以获得最佳表现（Sturman等，2010）。 主要任务 - 绩效测量包括每个阶段完成的总试验次数，从提示到器乐戳的延迟，以及从器械戳到食物槽入口（颗粒检索）的潜伏期。 年龄×会话重复测量对SPSS中的所有结果测量进行ANOVA（α= 0.05）。 在违反球形假设的所有情况下，下限校正用于最大保守的自由度调整。

图1

电极放置，任务范例和行为表现。 A）青少年和成年大鼠接受了一种简单的器乐学习范式的训练，在这种范例中，他们将鼻子戳（器乐反应）与随后的光线洞相关联 ...

电生理学分析

电子生理学数据使用自定义编写的脚本进行分析，在Matlab（Mathworks，Natick，MA）中执行，以及chronux工具箱（Chronux.org），用于LFP分析和由Churchland及其同事亲切提供的放电率变化函数（http://www.stanford.edu/∼shenoy/GroupCodePacks.htm）（Churchland等，2010）。 一般而言，神经活动与特定的任务事件有时间锁定：试验发作线索，器械鼻捅响应和食物槽入口。 原始LFP迹线对这些任务事件进行时间锁定，并且在平均之前排除具有剪切伪像的试验。 示出了在加固周期期间单试验青少年和成人原始LFP电压迹线的示例（补充图1）。 通过FFT计算每个任务事件在几秒钟内每个受试者的试验平均功率谱。 这是使用13个领先的锥度，7的时间带宽乘积和1 s的移动窗口跨度（以250 ms为步长）完成的。 与我们检查过的其他参数相比，这些参数允许大约2 Hz的频率分辨率，这通常允许在每个感兴趣频段中使用多个频率仓。 之所以使用多锥度方法，是因为它在处理非无限时间序列数据时可以改善频谱图估计（Mitra和Pesaran，1999）虽然使用1，3和9锥形导致非常相似的光谱图。 功率谱中的每个频率仓（行）是Z分数，归一化为基线周期期间的平均光谱功率（2-s窗口在提示之前开始3 s）。 对青少年和成年人的归一化功率谱进行平均。

在任务事件周围的窗口中，为每个单元生成了围栏事件时间触发率直方图。 将每个单元的交叉试验平均射击速率归一化为其基准时期的Z得分。 根据单位的平均归一化活动是否分别包含三个连续的50 ms Z≥2或Z≤-2的仓位，将其在感兴趣的窗口内分类为“激活”或“抑制”。 这些标准在每个单位的基准期间使用非参数引导分析进行了验证。 对于每个单元，基线窗口均随机采样10,000次。 重新采样的活动达到显着性标准的2-s窗口的比例是在任何2-s窗口期间该单元的预期假阳性率的度量。 这导致所有青少年单位的总体预期假阳性率为α= 0.0034，所有成人单位的alpha = 0.0038。 这些较低的alpha值表示单元错误分类非常罕见，不会对青少年和成人之间类别比例的统计比较产生不当影响。 为了比较单位响应的时程，使用围绕任务事件的移动窗口（移动窗口大小为500 ms，步长为250 ms）执行分类分析。 对于与年龄相关的统计比较（例如在提示后的1 s内）特别感兴趣的时间窗口，进行了卡方分析，其中包括成人和青少年激活，抑制和不重要单位的数量。 进行显着的卡方检验，然后使用Z检验对两个比例（例如，青少年和成人之间的受抑制单位）进行事后比较。表1）。 以前使用这种行为范式的研究表明，青少年和成年人都会通过3会话以稳定的最大值进行工具性反应（Sturman等，2010）。 因此，除非另有说明，否则将在第3-6课中介绍电生理分析，这时两组的行为结局都得到了很好的学习。 在这里和其他地方，当p <0.05时，原假设被拒绝。

表1

时间锁定到任务事件的所选窗口中的青少年和成人单位活动的比较。 感兴趣的Windows与提示，乐器戳（Poke）或进入食物槽（FT）的时间锁定在一起。 青少年（阿多尔）和成人的比例 ...

使用80 ms移动窗口以50 ms步长计算Fano因子（尖峰计数方差/平均值）的放电率变异性分析。 对于每个单位，在每个时间点计算尖峰计数方差和平均尖峰计数。 在每个窗口步骤确定所有单位的方差和均值的回归斜率，提供围绕任务事件的Fano因子时间过程。 为了检验观察到的Fano因子随时间的变化（以及与年龄相关的Fano因子差异）是由于平均射击率而不是方差的变化，我们进行了由Churchland和同事设计的平均匹配技术（Churchland等，2010）。 在第一个分析中，我们分别对青少年和成人单位进行了平均匹配。 该技术通过随机和重复丢弃单元在每个时间点保持平均发射速率分布恒定。 每个时间点的Fano因子估计值基于此过程的10迭代的平均值。 该程序已被验证为避免因射击率变化而产生伪影的有效方法（Churchland等，2010）。 除此之外，还进行了单独的平均匹配分析，其中最大的共同平均射击率直方图在一个年龄组（如上所述）内以及年龄组之间使用。 对类似的原始和平均匹配Fano因子的观察将证实Fano因子的时间过程和与年龄相关的差异反映了峰值时间的变化，而不仅仅是平均放电率差异的假象。 使用Matlab中的秩和检验对青少年和成人Fano因子进行统计学比较。

成果

局部场电位

LFPs的电生理记录，一种被认为反映区域传入活动的措施，通过大部分任务揭示了青少年和成年人的相似模式，在食物进入接受强化后立即显着的光谱功率差异（图2a）。 那时，成年人表现出更高的α（8-12 Hz）和β（13-30 Hz）能量。 各组之间的Theta（4-7 Hz）和低γ（31-75 Hz）功率相似，而青少年的γ（76-100 Hz）功率高于成人（图2b).

图2

会话期间的青少年和成人OFC LFP 3-6。 A）对于每个频率，将关键任务事件周围的窗口中的青少年和成人的LFP功率谱标准化为基线周期（在线索开始之前的第二个3至1）。 规范化的时间过程 ...

法诺因子分析

在与特定任务事件相关的射击率变化中观察到与年龄相关的差异。 Fano因子，是尖峰计数方差和尖峰计数之间关系的斜率（Churchland等。 2010计算，以检查跨试验的尖峰时间的变化（图3）。 在8 s基线期内，青少年（265只大鼠4个单位）在第184-3节（与秩和检验进行的比较）中，成人的Fano因子显着大于成人（6只大鼠2个单位），Z = 6.90，p <0.01，试音提示之后的1秒钟窗口Z = 5.48，p <0.01，以仪器响应Z = 1，p <3.12为中心的0.01 s窗口，在一秒钟内导致补强恢复Z = 3.77 ，p <0.01（图3）。 因为Fano因子计算取决于窗口大小和步骤，我们在工具戳周期中改变这些参数，以证明虽然计算的幅度和平滑度受到影响，但一般的时间过程和与年龄相关的差异仍然存在（补充图2我们进行了均值匹配技术（Churchland等。 2010）保持平均射击率随时间大致保持恒定，以便时间射击率的变化不会模糊我们对法诺因子作为变异性量度的解释（补充图3a）。 我们同样均衡了年龄组之间的解雇率分布（补充图3b）。 原始Fano因子与使用均值匹配方法计算的非常相似，证实观察到的Fano因子时程反映了峰值时间的变化，而与平均点火率动态无关。 一个例外是强化检索后，成年人表现出更大的原始Fano因子（图3）。 这种差异至少部分是由于平均放电率的变化，因为在此期间平均匹配的Fano因子没有统计学上的显着差异（补充图3）。 这些研究结果表明，突出事件导致青少年和成年人穗定时的变异性减少，有趣的是，青少年OFC神经穗定时在整个任务中通常比成人更可变。 刺激驱动的Fano因子减少被认为是皮质结构的一般属性（Churchland等。 2010）。 因此，较高的Fano因子可能表明，与成人相比，青少年OFC中穗定时的内在趋势不太严格控制。

图3

Fano因子分析比较青少年和成人的发放率变异性。 Fano因子是所有单位的逐个试验加标计数方差和加标计数均值的斜率。 使用滑动窗口，在时间点计算这种可变性估计 ...

单位活动

在任务期间对单个单元神经活动的分析揭示了青少年和成年人之间具体的事件特异性差异。 在会话1期间，在学习动作 - 结果关联之前，单元活动几乎没有变化到任一组中的任务事件。 然而，一旦任务得到充分学习（训练课程3-6），任务事件就会引发一致的神经活动模式（图4）。 时间锁定到任务事件的每个单位的基线标准化发射率显示在 图5a，说明了阶段性神经活动的范围和程度。 在成人（4大鼠，184单位），但不是青少年（8大鼠，265单位），平均活动在提示和仪器反应之前减少（图5b）。 在回应之后，两组的正常人口活动同样下降，青少年的反弹率超过成年人。 大约在加强人口活动增加的时候，成年人比青少年早期达到峰值并且水平低于青少年。 食物进入时达到最大青少年活动; 此时平均成人活动远低于此。 尽管数量太少而无法得出有力的结论，但青少年（n = 8单位）和成年人（n = 5单位）推定的快速加标（FS）中间神经元表现出与一般人群相关的感兴趣事件的类似一般活动模式会议期间3 - 6（补充图4比较兴奋性和抑制性阶段性活动与任务事件的比例（图5c）通常显示减少的抑制反应和青少年的相似或增强的兴奋性反应。 在提示后的1中，成年人的抑制单位比例明显大于具有相当比例的激活单位的青少年（表1）。 在仪器响应之后，当青少年和成年人的人口活动减少相似时，观察到相似比例的活化和抑制单位。 用于可视化神经募集时间过程的移动窗口分类分析表明，在器械反应周围，成人抑制单位变得更早被抑制并且持续时间长于青少年（图5c）。 通过在仪器响应之前0.5 s和之后1 – 1.5 s的时间窗口中检查抑制单位的比例，可以证实这一点（表1）。 尽管成人激活单位似乎也早于青少年，但这些差异在统计学上并不显着。 加固前后，被归类为激活和抑制的单位比例大不相同，成年人的抑制单位比例更大，而青少年的激活单位比例更高。 加固后0.5 – 1 s，单位分类中没有与年龄相关的差异。 这些发现表明，尽管相似比例的青少年和成人单位在不同时间会被激活或抑制（例如，p戳），但通过许多任务，青少年具有较小比例的被抑制单位。

图4

所有成人和青少年单位的平均基线标准化发放率+ 1 sem（阴影），在六个会话中的每个会话期间锁定到任务事件。 所有青少年单位的中位任务范围射击率为4.66Hz，所有成人单位为5.18Hz。 ...

图5

会议3-6期间的阶段OFC人口和单位活动。 A）热图代表每个青少年（n = 265；上图）和成人（n = 184；下图）单位的基准归一化放电率。 每行是单个单位的活动 ...

讨论

在人口和单个单元水平，青少年OFC处理奖励动机的行为与成人不同，最明显的区别是在奖励和其他突出事件期间青少年减少神经活动。 在大部分任务中，青少年也表现出更大的穗定时变异性。 在强化期间，除了活动减少较少外，与成人相比，青少年单位的比例增加，其活性增加，α，β和γLFP能力也有所不同。 重要的是，即使任务表现相似，也观察到这些与年龄相关的神经处理差异，这表明这种差异并不仅仅反映了行为的混淆（Schlaggar等人，2002; Yurgelun-Todd，2007）。 即使在早期训练期间添加额外的受试者以揭示行为差异，青少年和成年人也从第三阶段开始以最大水平完成任务。 我们的电生理学分析侧重于后来的会议，当时两个小组都很好地学习了行动 - 结果关联。 我们选择了一项行为任务，虽然很容易在大鼠青春期的短时间内学会，但可以被认为是更复杂的动机行为的基本构建块。 因此，这些研究结果表明，即使青少年表现出与成年人相同的动机行为，他们对显着事件的神经编码和表观处理效率（因为它与尖峰时间变异性有关）从根本上是不同的。

在重要的行为事件中，例如试验发作提示，在仪器响应之前，以及在奖励之前和期间，青少年神经元的活动倾向于比成人更少。 这种与年龄相关的差异可能是由于在这些时间OFC神经元抑制较少。 神经元抑制在振荡活动同步中起着关键作用（Fries等，2007; Cardin等，2009; Sohal等人，2009），控制精确的尖峰定时，并提高神经通讯的效率（Buzsaki和Chrobak，1995）。 用EEG和LFP测量的这种振荡是神经元兴奋性的节律性波动，被认为反映了内在细胞和电路特性的相互作用（Buzsaki和Draguhn，2004），微调尖峰输出的时间（薯条，2005）。 振荡的同步可以为神经元群的传播提供渠道（薯条，2005），可能是知觉约束和其他过程的核心（Uhlhaas等人，2009b）。 特定频带中神经元同步的测量与许多情境中的认知表现相关（Basar等，2000; Hutcheon和Yarom，2000并且在几种病理状态下减少，例如精神分裂症（Uhlhaas和Singer，2010）。 Uhlhaas及其同事发现人类青少年与成人之间任务相关的脑电图振荡存在差异（Uhlhaas等人，2009a）。 与这些发现一致，我们发现在强化期间青少年的OFC中α和β能量的增加较小。 这些频段被认为对于长距离的神经通信很重要（Pfurtscheller等，2000; Brovelli等人，2004; Klimesch等，2007），在青少年中可能效率较低。 这种解释与研究结果一致，表明功能连接从更局部变为更分散到开发（Fair等，2009; Somerville和Casey，2010).

我们还观察了使用Fano因子分析评估的试验中烧伤率变异性的年龄相关差异。 最近的研究表明，在许多皮层区域，神经元尖峰活动通过刺激或器乐行为得到稳定，这反映在减少的Fano因子中（Churchland等，2010）。 事实上，我们观察到，在OFC中，工具行为，奖励方法/预期和强化（成人）导致我们对射击率变化的度量的减少。 变异性的最大降低发生在大鼠进行器械反应时和强化前的时期。 如果相位神经活动的时间控制得不那么严格，可以预期更高的射击率变化，如青少年OFC中的情况。 在完成任务的过程中，青少年的Fano因子比成年人更多，除了食物进入后的1-s期间。 这些结果表明，青少年倾向于具有更高的放电率变异性，这可能表明神经编码的效率降低。 也就是说，更大的Fano因子表明青少年OFC神经元编码具有更多变异性的相同突变事件，从试验到试验，这可能反过来意味着相应的速率代码中的信噪比与成人相比更低。 这与儿童和青少年的事件相关电位具有比成人更低的信噪比的发现是一致的，这可能是由于产生这些信号的大脑区域的“个体内不稳定性”（Segalowitz等人，2010）。 正如神经抑制对于夹带振荡至关重要一样，抑制网络为主要细胞的尖峰提供精确定时（Buzsaki和Chrobak，1995）。 因此，青少年单位对突出事件表现出较少的阶段性抑制的倾向与青少年单位的较高的发放率变化之间可能存在联系。 然而，我们必须谨慎地表示，这种联系可能不是直接的，因为最大的Fano因子差异的时间也不是阶段性抑制中最大差异的时间。

青春期发生了巨大的神经发育变化。 在此期间，灰质和白质增加减少（Benes等，1994; Paus等人，1999; Paus等人，2001; Sowell等，2001; Sowell等，2002; Sowell等，2003; Gogtay等，2004）。 多种神经调节剂（如多巴胺）的受体在青少年中的表达水平高于PFC和基底神经节中的成人（Gelbard等，1989; Lidow和Rakic，1992; Teicher等，1995; Tarazi等人，1999; Tarazi和Baldessarini，2000）。 在麻醉的大鼠中，青少年多巴胺神经元的自发神经活动比青少年或成年人更大（McCutcheon和Marinelli，2009）。 在皮质切片中，多巴胺D2受体激动剂的激活作用仅存在于青春期晚期或成年早期，此时观察到突然转变（Tseng和O'Donnell，2007）。 在快速尖峰（FS）神经元上的NMDA受体的表达在青少年的PFC中也发生显着变化。 大多数青少年FS中间神经元没有表现出突触NMDA受体介导的电流。 那些具有它们的细胞表现出大大降低的NMDA：AMPA比率（王和高，2009）。 这些研究表明，与动机行为和精神疾病易感性相关的青少年大脑区域和发射器的结构和生理学存在根本差异。 据我们所知，目前的研究是第一个在清醒，行为青少年动物中使用细胞外电生理记录的研究，通过证明任务相关的神经活动在青少年处理突出期间根本不同，提高了这些细胞和分子发现的功能相关性。事件。

人类功能磁共振成像研究发现，在较大规模的区域层面，青少年处理奖励和奖励预期的方式与成人不同（恩斯特等人，2005; Galvan等，2006; Geier等，2009; Van Leijenhorst等人，2009）。 目前对一些青少年行为脆弱性的解释包括PFC在其活动和/或其与皮质下结构的功能连接和调节方面“欠发达”的概念（恩斯特等人，2006; Casey等人，2008; Steinberg，2008）。 本研究发现，即使在非常基本的奖励动机行为中，发育差异也是可观察的，并且基本上通过降低青少年OFC神经活动减少倾向于大多数（但不是全部）突出事件而在单一单元水平上表现出来。 虽然需要未来的工作来建立这种联系，但单位水平上抑制反应比例的差异可能是振荡功率和尖峰时间变异性中观察到的一些青少年差异的根源。 由于抑制在控制尖峰的精确定时，夹带振荡，从而促进神经元群体的有效通信方面的重要性（Buzsaki和Chrobak，1995; Fries等，2007），减少青少年PFC抑制与本研究和其他研究中观察到的皮质加工的大规模差异一致。 然而，青少年在突发事件周围减少单位活动的倾向可能是由于兴奋性传入的活动减少较少以及抑制减少所致。

改变皮质抑制活性可能会影响行为抑制（Chudasama等，2003; Narayanan和Laubach，2006并且与一些病理状态有关（Chamberlain等人，2005; Lewis等人，2005; Behrens和Sejnowski，2009; 刘易斯，2009）。 例如，患有精神分裂症的个体GAD67 mRNA表达减少，这是一种参与抑制性神经递质GABA合成的酶（Akbarian等，1995）。 精神分裂症患者还在PFC中减少了GABA膜转运蛋白（GAT-1） - 免疫反应性轴突药筒（Woo等人，1998）。 这与青少年的研究特别相关，因为GAT-1免疫反应性药盒（对小白蛋白具有免疫反应性）在青春期前达到峰值，然后在青春期后期急剧减少（Cruz等人，2003），精神分裂症的典型发作时间。 在正常发育期间描述与年龄相关的阶段性活动的确切来源的未来工作可能与青春期期间出现的精神疾病的病理生理学和症状性时程直接相关。

补充材料

致谢

参考资料