纹状体过程在青少年与成人中的奖励方式不同(2012)

Proc Natl Acad Sci US A. 2012 Jan 31; 109(5):1719-24。 Epub 2012 Jan 17。

来源

匹兹堡大学神经科学系,宾夕法尼亚州匹兹堡15260,美国。

抽象

青少年通常对成年人的反应与同样显着的激励情境不同,例如同伴互动和愉快的刺激。 描述青少年的神经处理差异对于理解这一现象以及严重的行为和精神疾病脆弱性的基础至关重要,例如药物滥用,情绪障碍和精神分裂症。 我们认为,在关键大脑区域处理显着刺激方式的年龄相关变化可能成为青春期独特偏好和脆弱性的基础。 由于动机行为是核心问题,因此在激励背景下进行与年龄相关的大脑活动比较至关重要。 我们比较了青少年和成年大鼠的伏隔核(NAc)和背侧纹状体(DS)中的单个单位活动和局部场电位,以奖励动机的工具任务。 这些区域涉及动机学习,奖励处理和行动选择。 我们报告DS中的青少年神经处理差异,这一区域通常与学习相关,而不是成人的奖励处理。 具体而言,青少年,但不是成年人,DS中的大部分神经元在预期奖励时被激活。 在两个年龄组的NAc中观察到更相似的反应模式。 尽管发生类似的局部场势振荡,但仍发现DS单个单元活动差异。 这项研究表明,在青少年中,一个批判性地参与学习和习惯形成的地区对奖励具有高度响应性。 因此,它提出了一种机制,说明奖励如何不同地影响青少年的行为,以及它们对情感障碍的脆弱性增加。

关键词: 发展,基底神经节,成瘾,抑郁,电生理学

在青春期,发生了无数的神经发育变化(1)这可能会影响如何处理突发事件,如奖励刺激。 这种神经处理变化可能是哺乳动物物种中青少年常见的一些行为偏好的基础,例如风险增加(15),以及发展成瘾,抑郁和精神分裂症等疾病的趋势增加(68)。 在我们能够理解这些脆弱性的神经基质之前,我们必须首先了解青少年大脑的典型神经加工模式,并与成人进行比较和对比。

基本上,在激励背景下,青春期的每一个行为和精神方面的脆弱性都是显而易见的。 因此,在动机行为中比较青少年的神经活动与成人的神经活动是很重要的。 动机行为是促进调整生物体和刺激之间的物理关系的动作(例如,特定奖励的概率或接近特定奖励)(9)。 但是,这样的行为情境自然会使神经活动的分析复杂化:我们如何知道神经差异不仅反映了两个年龄组之间的行为表现差异? 神经处理的差异仅仅是由于行为上的混淆,还是青少年在动机环境下编码和处理显着事件的方式上存在更多基本差异? 我们进行了体内单单位电生理记录,以比较在两组之间行为表现无法区分的显着事件中青少年与成年人的神经活动(例如,当任务学习得当时,在后期的奖励检索潜伏期)。 为此,我们有效地使用了“行为约束”,使我们能够确定与性能无关的与年龄相关的基本加工差异。

虽然大部分青少年大脑尚未以这种方式进行检查,但由于其在动机行为中的核心作用,我们将重点放在背侧纹状体(DS)和伏隔核(NAc)上。 这些大脑区域一起参与关联学习,习惯形成,奖励处理和行为模式的自适应控制(1013)。 纹状体接受来自感觉,运动和认知过程的皮层区域的投射(14),以及多巴胺能输入(15)。 NAc是腹侧纹状体的一部分,接受杏仁核的传入(16)和前额皮质(17)和来自腹侧被盖区的多巴胺能传入(18)。 NAc被认为是动机行动转化的关键(19并且是关于青少年冒险和寻求感觉的神经生物学基础的一些当前假设的核心(5, 20, 21).

成果

从DS和NAc记录神经单位活动(图.S1)青少年(n = 16)和成人(n = 12)老鼠,因为他们学会了将器乐动作(戳)与奖励结果联系起来(食物颗粒; 图。 1A)。 行为数据合并显示(图。 1 B-d),因为区域之间没有观察到统计差异。 每次训练的试验次数在训练中没有显着的年龄相关差异[F(1,1)= 1.74, P = 0.20]; 从提示到工具戳的延迟[F(1,1)= 0.875, P = 0.36]; 从仪器戳到进入食物槽的延迟[F(1,1)= 0.82, P = 0.36]。 从提示开始到器乐戳的潜伏期在早期会话中似乎是不同的,尽管这没有统计学意义,并且由三个尚未学习关联的异常动物驱动(图。 1C, 插页)。 从会话4开始,所有措施在两个年龄组中都达到了稳定的最大值。 在这些会话期间,从进入食物槽的仪器响应的平均成人和青少年潜伏期分别是(平均值±SEM)2.47±0.12 s和2.54±0.17 s。

图。 1。

行为任务和表现。 (A这项任务是在一个操作箱中进行的,一个墙上有三个孔,另一个墙上有一个食物槽。 当中心孔(Cue)中的灯打开时,试验开始。 如果老鼠戳到那个洞(Poke),那么 ...

随着大鼠学习动作 - 结果关联并在每个疗程中进行多次试验(即会话4-6; 图.S2A)。 会话期间对此活动的进一步研究4-6揭示了一些神经元群体活动的相似性,但在其他群体中存在相当大的差异(图。 2)。 关于10%记录的神经元在试验发作的线索中被激活,很少有细胞被抑制(图。 2 AC, 离开)。 青少年和成人射击率的分布 Z- 分数此时没有什么不同(Z = 1.066, P = 0.29; 图。 2B, 离开)。 激活,抑制和非显着神经元的比例也没有与年龄相关的差异[χ2(2, n = 570)= 2.35, P = 0.31; 表1]。 在仪器反应之前,两组的活化细胞比例及其活动程度均有所增加,尽管青少年的这种程度增加幅度更大(Z = -2.41, P = 0.02; 图。 2B, Center)。 在器乐戳之前的0.5期间响应类型比例的年龄相关差异是显着的[χ2(2, n = 570)= 10.01, P <0.01],这是由较大比例的成人禁止单位(Z = 3.05, P <0.01; 表1)。 在仪器响应之后,之前激活的细胞立即被抑制,许多以前没有使用的单位也被抑制(图。 2A, Center)。 这导致人口活动短暂向下偏移,在年龄特定的比率下再次增加,在仪器响应后的0.5期间,青少年和成人活动之间的统计差异持续存在(Z = 2.19, P = 0.03; 图。 2B, Center)。 在此期间,响应类型的比例在两者之间再次不同[χ2(2, n = 570)= 10.57, P <0.01],因为成人激活的单位所占比例较大(Z = 2.87, P <0.01; 图。 2C, Center表1)。 许多相同的神经元在仪器戳之前增加了它们的活动,在进入食物槽之前被瞬时抑制并再次激活(热图行显示红蓝红色图案) 图。 2A, Center)。 这种模式的时间在青少年和成年人之间有所不同。 相当大比例的青少年神经元一直被激活,直到获得奖励。 这种“奖励预期神经元”在成人中很少(图。 2A, )。 除了时间差异之外,在进入食物槽之前在0.5中激活的青少年神经元也达到了更高的峰值(Z = -7.63, P <0.01; 图。 2B, )。 在整个会话期间,这种整体活动模式相对稳定4-6(电影S1),虽然单位的随机抽样显示某些单位的单位内变异性(图.S3)。 活化和抑制单位的比例不同[χ2(2, n = 570)= 41.18, P <0.01],分别在青少年和成年人中,其激活的(Z = -6.21, P <0.01)和受抑制的单位(Z = 4.59, P <0.01; 图。 2C, 表1)。 在进入食物低谷后的0.5中,青少年继续表现出更强的活动(Z = -6.43, P <0.01)。 激活,抑制和不重要的比例与进入食槽之前的比例仍然不同[χ2(2, n = 570] = 31.18, P <0.01; 图。 2C, 表1)。 同样,青少年激活单位的比例更大(Z = -4.89, P <0.01),此时受抑制单位的比例较小(Z = 4.36, P <0.01)。

图。 2。

DS单位活动。 (A)热图表示每个青少年的阶段性单个单位活动(n = 322)和成人(n = 248)会话期间的单位(行)4-6,时间锁定到任务事件,并从最低到最高的平均幅度排列。 休息 ...
表1。

在选定的时间窗口中比较青少年和成人DS和NAc单位活动

在NAc中,平均青少年和成年人的尖峰活动从很少或可变的任务相关反应变为更一致的模式(图.S2B)。 通过4会话,两组在器械戳中的相位活动有相似的增加然后减少。 这种模式在奖励(食品槽入口)之前更加明显。 对NAc相位神经活动的仔细研究揭示了神经元激活和抑制的模式和程度的几个密切相似性,以及一些显着的差异(图。 3)。 具体而言,提示光的发作导致青少年和成人中大约10%的NAc神经元活化,少数神经元被抑制,此时活化或抑制神经元的比例没有显着的年龄相关差异[ χ2(2, n = 349)= 1.51, P = 0.47],总体人口活动没有差异(Z = 1.82, P = 0.07; 图。 3, 离开)。 一旦神经元被激活进行试验,它们往往会保持激活状态,直到动物进入食槽。 时间上的动态是如此,以至于某些部分的神经元在器oke和食槽进入周围都被更强烈地激活。 人口活动没有与年龄相关的差异(Z = -0.16, P = 0.87)或单位类别比例[χ2(2, n = 349)= 0.22, P 在仪器戳之前的0.90中找到了= 0.5]。 在器乐戳后,成年人表现出更高的平均活动(Z = 4.09, P <0.01)和单位类别比例的差异[χ2(2, n = 349)= 7.23, P = 0.03]由于成人激活神经元的比例较大(Z = 2.53, P = 0.01; 图。 3C, Center表1)。 同样,在进入食物槽之前的0.5中观察到更高的平均成人活动(Z = 2.67, P <0.01),并且再次观察到不同的单位类别比例[χ2(2, n = 349)= 6.64, P = 0.04]由于成人激活单位的比例明显较大(Z = 2.32, P = 0.02; 图。 3C, 表1)。 在此期间,逐个试验的神经活动仍然表现出一定程度的稳定性,但不如DS(电影S2)。 进入食物槽后,0.5的人口活动没有显着的年龄相关差异(Z = -0.61, P 虽然存在单位比例差异[x],但是= 0.54)2(2, n = 349)= 7.81, P = 0.02]。 这反映了此时受抑制的青少年单位比例显着增加(Z = -2.81, P <0.01; 图。 3C, 表1)。 因此,尽管各组之间存在一些差异,但神经反应的一般模式(以及跨单位的活动)在NAc中比在DS中更相似。

图。 3。

NAc单位活动。 (A)热图显示青少年(n = 165; )和成人(n = 184; 降低)会话4-6的每个神经元的标准化发射率活动,时间锁定到任务事件。 (B)所有青少年的平均标准化射击率活动 ...

在NAc和DS中,青少年和成人的平均标准化LFP光谱图相似(图。 4)。 在进入食槽之前,在NAc中,青少年和成年人在β(13–30 Hz)和γ(> 30 Hz)频段的功率均降低,而成年人的γ功率降低幅度更大。 进入食物槽后,两组均显示出以20 Hz为中心的瞬时β功率增加。 在较低的频率(如θ(3-7 Hz)和α(8-12 Hz))下,青少年LFP功率有增加的趋势,在进入食物槽后约500毫秒发现与年龄相关的显着差异(图。 4 AB)。 在DS中可以看到类似的模式,在进入食物槽后,β电源的成人稍微增强(图。 4 CD)。 总的来说,统计对比图(图。 4 BD)证明了许多频率下青少年和成年人与奖赏相关的LFP活动的相似性,有几个例外。

图。 4。

青少年与成人LFP围绕NAc和DS的奖励。 (AC)青少年()和成人(降低)频谱图表明NAc中归一化LFP功率的增加和减少(离开)和DS()有时间锁定进入食物槽。 ...

讨论

我们在青少年时发现了与奖励相关的强烈激活,而不是成人DS,这是与习惯形成和行为模式的适应性控制相关的结构(1113, 22)。 NAc对两个年龄组的反应相似; 尽管在NAc中观察到一些单位活动差异,但这些差异更小且更短暂,并且该区域组之间神经活动的时间过程高度相似。 这些研究结果证明了与青春期基底神经节结构功能成熟度的奖励处理相关的区域异质性,并且DS提出了迄今为止忽视的青少年神经处理差异的位置,这可能与年龄相关的脆弱性直接相关。 我们还发现,虽然在单位水平上发现了显着的年龄相关差异,但在LFP振荡的能力中这些差​​异并不容易观察到,这更像是fMRI和EEG的大规模区域信号(23).

相位神经活动数据表明,DS在奖励预期期间的确切作用,或奖励刺激对其神经表征的影响,在青少年与成年人中是不同的。 两组都有在试验开始时被激活的单位,在仪器响应中被短暂抑制,然后再次被激活。 其中,与其他研究一致,成人单位更早被重新激活并在奖励前返回基线(24, 25)。 相比之下,他们的青少年同行的激活一直持续到奖励检索的时间。 因此,只有青少年才有相当大的一组可以被描述为DS中的奖励预期神经元。 虽然其他人以前曾在DS中观察过前期活动(2426),这里的关键点是青少年和成年人在这种活动的模式中有不同的平衡和时间过程。 纹状体被认为在情境 - 行动协会中发挥直接作用(25并且可以作为“演员 - 评论家”模型中的演员,以偏向更有利的行为(27)。 纹状体接受来自黑质的多巴胺输入和来自皮质区域的谷氨酸盐投射; 它将GABA预测发送到苍白球,后者进一步投射到丘脑,最终循环回到皮层。 来自未成熟的前额皮质或基底神经节区域的传入信号可以部分地解释目前在DS中观察到的年龄特异性模式。 事实上,我们之前观察到在这项任务中青少年眶额皮质(OFC)部分抑制减少和活化增加(28),直接投射到DS的这个区域(29).

与先前有关自愿行为期间DS中LFPθ-和β-振荡增加的报告一致(30, 31),青少年和成年人都在食物进入前后展示了这些。 尽管DS中单个单元活动存在显着差异,但DS和NAc两个年龄组之间的LFP振荡高度相似。 这一发现至关重要,因为人类青少年研究的重点是更大规模的功能测量,如功能磁共振成像和脑电图。 我们表明,即使与fMRI信号更好地相关的大规模区域振荡相似,也可以找到与年龄相关的强大单位活动差异(23)。 尽管基底神经节LFP振荡的功能尚不清楚,但它们受行为背景的调节(30, 31),两个年龄组的情况相同。

在NAc中,除了一些短暂的差异之外,招募的激活和抑制单位的比例以及它们的反应的时间过程通常是相似的,如平均标准化人口活动所反映的。 NAc的操作会影响动机,基线行为活动以及工具行为的学习和执行(3235)。 在本研究中,与DS相比,NAc的青少年神经活动差异是适度和短暂的。 人体中的fMRI研究在青少年与成人的奖赏相关NAc活动的比较中是不一致的。 一些研究显示更强的NAc青少年信号奖励(36, 37)和其他人发现较弱的(38)或更复杂的上下文依赖模式(39)。 这项记录在清醒行为青少年中记录皮层下单个单位和LFP活动的研究揭示了这一问题:我们证明这种与年龄相关的差异可能取决于所测量信号的类型。 我们的研究结果也与先前的证据相一致,即NAC早于其他地区(如OFC)达到功能成熟度(37, 28)。 然而,在发现青少年DS单位活动与成人活动不同时,我们得出结论,这不仅仅是皮质与皮质下的区别(如已提出)(40).

重要的是要强调尽管缺乏测量的行为差异,但仍观察到本研究中的神经活动差异。 由于DS在行为模式执行中的作用,神经差异可能部分归因于未测量的行为差异。 虽然这种差异总是可能的,但在目前的研究中,由于一些原因,它们似乎不太可能。 只有当大鼠对任务非常熟练并且观察到高度关注任务时才进行神经比较。 最大神经差异的时期是器乐反应和进入食物谷之间的时间,而这种行为的平均潜伏期对于两个年龄组基本相同。 此外,在某些地方(例如,在奖励预期期间)一致地观察到神经差异,而不是其他地方(例如,对试验发作线索的反应),并且尽管神经元激活的时间过程经常显着不同,神经元抑制的时间过程在每个年龄组的两个脑区通常相似。 总之,这些发现与基本年龄相关的神经加工差异存在的解释是一致的,特别是在DS中,甚至在类似的行为/情境中,这说明了神经结构,处理效率和/或突出的生理影响的差异。事件。

总之,我们发现奖励相关的突出事件强烈地涉及青少年的DS,而不是成年人,这可能表明网络中的新位置负责与年龄相关的行为和精神疾病的脆弱性。 这种基底神经节结构在正常学习和记忆,习惯形成以及动机行为的其他方面起着重要作用,其功能障碍与精神问题有关(4143)。 因此,更多地了解该地区的活动如何通过发展变化,以及与其他关键大脑区域的相互作用,对于我们理解青少年脆弱性机制和未来临床干预设计至关重要。 青少年行为和精神疾病易感性的复杂性可能是多因素的,涉及许多大脑区域。 因此,DS只是众多相互作用区域中的一个,它们共同(而非孤立)可能对青春期的行为和精神疾病脆弱性至关重要。 我们希望通过青少年电生理记录和行为钳方法来研究行为背景下与年龄相关的神经处理差异,我们可以开始认识到网络层面青少年脆弱性的基础。

材料和方法

科目和手术。

动物程序由匹兹堡大学动物护理和使用委员会批准。 成年男性(产后日70-90, n = 12)和怀孕的大坝(胚胎日16; n = 4)将Sprague-Dawley大鼠(Harlan)饲养在气候控制的vivaria中,其具有12-h光/暗循环(在7上点亮:00 PM),并随意进入食物和水。 小猫被宰杀至不超过六只雄性幼崽,然后在出生后的第21天断奶(n = 16)。 成年人手术是在最少1适应住房后进行的。 青春期手术在出生后第28-30天进行。 八线微电极阵列植入NAc或DS(SI材料与方法)。 录音如前所述(28)当老鼠进行行为任务时。 使用离线分拣机(Plexon)通过手动和半自动分拣技术的组合分离单个单元(44).

行为。

如前所述进行行为测试程序(28, 45)。 大鼠学会了为食物颗粒奖励进行仪器戳(图。 1ASI材料与方法)。 在每个疗程中,评估试验总数,从试验发作提示到仪器响应的平均潜伏期,以及从仪器响应到颗粒检索的潜伏期。 年龄×会话重复测量ANOVA使用SPSS软件对所有这些测量(α= 0.05)进行,其中下限df校正,其中球形度的假设被违反。

电生理学分析。

使用自定义编写的Matlab(MathWorks)脚本以及Chronux工具箱中的函数分析电生理数据(http://chronux.org/)。 单个单元分析基于围绕任务事件的窗口中的事件周期时间点火率直方图。 单个单位的活动是 Z-score基于每个单元在基线期间的平均值和SD点火率进行归一化(2-s窗口在线索开始之前开始3 s)。 在任务事件周围绘制了平均人口单位活动。 青少年和成人单位活动的统计比较是在感兴趣的先验时间窗口(使用Wilcoxon秩和检验后,在提示之后,工具戳之前和之后,以及进入食物槽之前和之后的0.5-s窗口)进行的。呈现为 Z - 值),Bonferroni纠正了多重比较。 在此分析中,零假设被拒绝了 P 0.01. 电影S1S2 表示在会话4-6期间通过视频帧在单个试验步骤中移动的五个试验中的局部估计的散点图平滑(LOESS)平均归一化激发率活动。 视频时间表示通过每个会话的试验活动的演变。 如果单位包含三个连续的50-ms箱,则它们在特定时间窗口中也被分类为激活或禁止 Z ≥2或 Z ≤-2,分别。 如前所述,这些标准通过非参数自举分析验证为产生低假分类率(39)(SI材料与方法)。 一旦单位被分类,χ2 对于所有激活,抑制和非显着单元的感兴趣的先验窗口进行分析。 只有显着χ2 事后进行了测试 Z - 测试两个比例以确定潜在的重要类别差异。 零假设在被拒绝时被拒绝 P <0.05,以 表1 粗体。 为了可视化单元招募的时间过程(即,激活或禁用),在500-ms移动窗口(以250-ms步骤)中在时间锁定到任务事件的较大窗口中执行类别分析。

在去除原始LFP电压迹线包含剪切伪影或异常值(平均电压为±3 SD)的试验后,使用快速傅里叶变换计算每个受试者的试验平均功率谱(SI材料与方法)。 对每个年龄组的功率谱进行平均。 T比较每个时间×频率仓的青少年和成人光谱图的归一化LFP功率的比较对比图被绘制以突出与年龄相关的相似性和差异。

补充材料

支持信息:

致谢

国家精神卫生研究所,匹兹堡生命科学温室和安德鲁梅隆基金会预科奖学金(DAS)提供了对这项工作的支持。

脚注

 

作者宣称没有利益冲突。

本文是PNAS直接提交。

本文包含在线支持信息 www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1114137109/-/DCSupplemental.

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