将愿望放在预算上:多巴胺和能源消耗,协调奖励和资源(2012)

面前。 INTEGR。 Neurosci。,20 July 2012 | DOI:10.3389 / fnint.2012.00049

  • 1芝加哥大学神经生物学系,美国伊利诺伊州芝加哥市
  • 2芝加哥大学神经生物学委员会,美国伊利诺伊州芝加哥市

越来越多的证据表明多巴胺功能与代谢信号的结合,突出了多巴胺在能量平衡中的潜在作用,通常被认为是响应稳态的调节奖励。 虽然其确切的作用仍然存在争议,但多巴胺的奖励观点主导了对包括肥胖在内的动机障碍的调查。 在这里概述的假设中,我们建议多巴胺在行为中的主要作用是调节活动以使行为能量消耗适应当前的环境能量条件,多巴胺在奖励和动机行为中的作用源于其在能量中的主要作用。平衡。 长期以来已知多巴胺可调节活性,例如通过多巴胺起作用的精神兴奋剂。 最近,对多巴胺在调节自愿活动中的作用进行了初步调查,一些研究者认为多巴胺可能是将能量传感与受管制的自愿能量消耗相结合的最终共同途径。 我们建议在内部和外部世界的输入之间插入多巴胺,调节沿两个轴的行为能量消耗:一个调节广义活动的保护 - 消费轴和一个调节利用轴来调节奖励价值偏向分布的程度。活动。 在这种观点中,增加的多巴胺不会促进美味食物的消费。 相反,增加的多巴胺促进能量消耗和探索,而减少的多巴胺有利于节约能源和开发利用。 这一假设为一个明显的悖论提供了一种机制解释:多巴胺在寻求食物中的确立作用以及低多巴胺能功能与肥胖相关的发现。 我们的假设提供了关于多巴胺在肥胖中的作用的另一种观点,并将“奖励缺陷假设”重新解释为感知的能量缺乏。 我们建议多巴胺通过促进能量消耗,应该对肥胖有保护作用。 我们认为,由于久坐不动的生活方式阻碍了能量消耗,西方社会中这种保护机制明显失败,肥胖症患病率很高。

介绍

多巴胺的主要功能是调节奖励的观点是普遍存在的。 虽然争议很多,但确实存在争议 形成一种 多巴胺可能有助于奖励 - 或者即使它有效(Cannon和Palmiter,2003; 明智的,2004; Berridge,2007; Goto等人,2007; Robbins和Roberts,2007; Salamone,2007; 舒尔茨,2007; Redgrave等,2008),奖励作为多巴胺功能的组织隐喻是如此普遍,以至于经常被视为事实,在肥胖和喂养文献中尤其明显的趋势,其中中脑多巴胺有效地等同于奖励(例如, 肯尼,2010; Volkow等人,2010; Avena和Bocarsly,2011; Berthoud等人,2011)。 然而,几十年的研究无可争辩地证明了多巴胺在调节活性中的明确作用,最好地说明了增加多巴胺信号传导的药物的精神兴奋性质。 Salamone及其同事长期以来一直认为,多巴胺的主要作用是调节努力活动,使动物能够克服追求有价值刺激的反应成本(Salamone,2009, 2011)。 最近,探索调节自愿活动的潜在基因的遗传研究指出多巴胺相关基因,一些作者认为多巴胺可能代表控制自愿活动的“最终共同途径”(Leamy等,2008; Kelly等,2010; Knab和Lightfoot,2010; Mathes等,2010; Garland等,2011)。 尽管有令人信服的大量数据表明多巴胺在能量消耗中起着关键作用,但多元胺的这种观点却被奖赏视角所掩盖。 例如,在许多讨论多巴胺和肥胖的论文中(Geiger等,2009; Berridge等,2010; 肯尼,2010; Berthoud等人,2011),尽管能量消耗在概念上占能量平衡方程的一半,但甚至没有考虑多巴胺在能量消耗中的作用。

迄今为止,还没有令人信服的框架整合了这两个不同的多巴胺效应和假定功能领域,广泛认可的奖励功能和多巴胺对活动和能量消耗的不太显着但同样可证明的影响。 表观多巴胺能对活动的影响通常被认为是奖励过程的结果。 例如,多巴胺在调节啮齿动物自主轮运行中的作用已经被提出来源于与轮子运行相关的奖励和强化的多巴胺能调节(Garland等,2011; Roberts等,2011; Yang等人,2012)。 在这里,我们提出了一个假设,其中多巴胺的主要功能是调节能量消耗。 具体而言,我们认为多巴胺作为内部和外部环境之间的界面,将行为能量消耗与普遍的环境能源经济相匹配。 我们建议多巴胺沿两个维度调节能量消耗:(1)如何 许多 能量消耗(保护 - 消费轴)和(2)如何 分发 或将能量分配给不同的活动(探索-利用轴,如下所述)。 按照这种观点,多巴胺的与奖励有关的作用是继发于适应性地管理能量消耗并为其服务的。 我们对Salamone的出色工作深表感激,并顽固地关注多巴胺在调节努力中的作用以及他对多巴胺奖励假说的持续批评。 本假设代表了他的基本见识在一个更广泛的假设中的整合和扩展,在该假设中,多巴胺在环境能量的可利用性方面自适应地调节努力和报酬(扩大先前报酬历史对当前行为的影响)。

在适应性,半自然主义语境中研究多巴胺

下面,我们将首先回顾我们实验室最近的研究,这些研究提出了多巴胺能行为调节中奖励的首要地位,并强调其在能量消耗中的作用。 随后,我们将详细阐述多巴胺功能的能量经济学假设,回顾相关文献。 在研究多巴胺在肥胖中的作用时,我们将考虑目前的假设。 遗憾的是,“奖励”一词在文献中被滥用,正如其他人所指出的那样(加农炮,2004; Salamone等,2005; Salamone,2006; Yin等人,2008)。 特别地,该词被不精确地和模糊地用于捕捉不同的概念,包括情感反应(例如喜欢某事),强化(增加先前行为被重复的可能性的结果),满足食欲需求的刺激(例如,食物)等。 在本次评论的第一部分中,尽管不同观点之间存在着各种理论差异,但我们(错误地)使用广义上的术语,就像它在文献中被滥用一样,作为一个整体和捕捉遍及文献的主题的总称。 随后,我们将在制定假设时更准确地定义奖励。

升高的多巴胺:减少与奖励的耦合

隐含多巴胺的奖赏观点是这个想法 多巴胺可增强奖励对行为的影响。 根据经验,这得到了无数研究的支持,这些研究表明,增加多巴胺会增加动物对奖励的努力,同时减少多巴胺会减少努力(Wise等人,1978; 泰勒和罗宾斯,1986; Aberman等,1998; Peciña等,2003; Kelley,2004; Cagniard等人,2006a,b; Phillips等,2007; Salamone,2009, 2011)。 这些累积数据使得许多研究者得出结论,多巴胺增强了奖励本身或与奖励相关的刺激相关的激励。 或者,增加多巴胺可以减少与获得奖励相关的成本敏感度(Phillips等,2007; Salamone,2011)。 从这些研究中经常推断,即使他们的作者坚决反对这种解释(例如,萨拉蒙),多巴胺也会调节奖赏与行为之间的关系,使多巴胺增加奖励偏向行为选择的程度。 例如,Salamone认为多巴胺根本不会调节奖励; 他表明多巴胺有助于促进 努力。 因此,动物对奖励的追求很少受到响应成本的阻碍。 许多人认为这不是通过改变奖励本身而是通过改变通常会限制奖励追求的因素(响应成本)来增加奖励对行为选择的影响。

为了研究多巴胺增加如何改变对半自然环境的适应性,我们询问反复观察到的奖励动机增加是否会导致行为灵活性降低(Beeler等,2010)。 为了测试这个,我们使用了一个家庭笼子范例,老鼠住在操作装备的家笼里,所有的食物都是通过杠杆按压24 / 7获得的。 没有采用食物限制,允许小鼠完全自我调节他们的消费。 两个杠杆产生食物,其中一个总是“便宜”并且需要少量压力机用于颗粒(FR20)而另一个总是“昂贵”并且需要更多数量的压力随着实验的进行而增加(FR40-FR200) 。 然而,每个20-40 min随机切换哪个杠杆。 因此,为了获得最大的努力回报,小鼠必须监测正在进行的奖励反馈并定期切换杠杆以获得最低成本的颗粒。 我们测试了野生型C57BL / 6(对照)和多巴胺转运蛋白敲除(DATkd)小鼠,其具有升高的细胞外多巴胺和增加的多巴胺激活活性(庄等人,2001; Cagniard等,2006b).

我们发现多巴胺升高的小鼠(DATkd)在高成本杠杆上的压力明显高于野生型小鼠,这与先前的文献一致,显示多巴胺增强了对奖励的努力。 然而,在这种情况下,增加的努力并没有增加奖励,只是增加了用于奖励的努力量。 对数据的详细分析表明,DATkd对杠杆之间的切换不敏感或不知道,因为它们的周边开关行为基本相同。 在杠杆开关之间的稳定时期出现差异,其中DATkd小鼠将他们的努力均等地分配给两个杠杆,而野生型小鼠优先按压廉价杠杆。 为了更好地理解DATkd行为背后的策略,我们将数据拟合到时间差异学习(TD)模型(Sutton和Barto,1998)。 在这些模型中,有两个关键参数:学习率控制新奖励信息被纳入(和淡化)杠杆值的速率和控制该值的程度的“逆温度”偏见行为选择。 后一个参数通常被称为探索 - 利用参数,作为利用学习的更大偏差结果,而减少偏差允许更大的探索(Sutton和Barto,1998; Daw等人,2006)。 我们发现基因型在学习速率方面没有差异,与开关周围观察到的学习差异缺乏一致,但DATkd表现出降低的反向温度。 也就是说,有一个 减少 奖励历史与行为选择之间的联系。 乍一看,这似乎是矛盾的。 虽然DATkd老鼠更努力地获得奖励,与几十年的文献一致,但这似乎并不是因为奖励对他们的行为施加了更大的控制。 相反,奖励和行为选择之间的联系减少了。 它没有奖励对他们的行为产生更大的偏见影响 。 在这些条件下,多巴胺的增加导致开发减少而不是增加。 有趣的是,Salamone等人。 (Salamone等,2001)已经证明伏隔核多巴胺消耗的大鼠是 更多 取决于最近的奖励来克服反应成本,表明在减少的多巴胺下反过来,a 增加 奖励历史与选择之间的耦合。

升高的多巴胺:在不增加消耗的情况下调节努力

在多巴胺的奖赏观点中隐含的另一个想法是,多巴胺通过增加奖励偏向行为的程度,调节动物追求奖励的程度; 就这样 多巴胺介导“想要”:更多的多巴胺,更多的想要,更多的追求(Robinson和Berridge,1993; Leyton等,2002; Volkow等人,2002; Tindell等,2005; Berridge等,2010)。 多巴胺的这种作用是许多成瘾理论的核心(Robinson和Berridge,2001; Koob和Volkow,2010并且,最近,多巴胺和肥胖的理论(Volkow和Wise,2005; Finlayson等,2007; 郑等人,2009; Berridge等,2010; Volkow等人,2010; Avena和Bocarsly,2011; Berthoud等人,2011)。 在另一个最近的家庭笼子研究中(Beeler等,2012a),我们询问在不同的环境条件下,这种增加的“想要”是否具有适应性。 为了测试这一点,我们再次将老鼠放在装有操作杆的家笼中,在那里他们通过杠杆按压获得所有食物,同样没有明确的食物限制。 在这个范例中,只有一个杠杆产生食物,并且在整个实验过程中每个3天的工作需求增加,从FR5开始到FR250结束。 这产生了需求曲线,其显示了小鼠将其每日消耗调整到当前粒料成本的程度。 假设多巴胺增加了奖励的价值和/或降低了对成本的敏感性,我们预计多巴胺升高的DATkd小鼠在这种范例中会更好,并且比野生型小鼠的成本更高。 尽管DATkd在较高的成本下确实显示出轻度增加的压力,但总体而言它们表现出与野生型小鼠相同的成本调整,在实验中体重变化或存活率没有观察到差异。 此外,当数据符合需求弹性模型时(Hursh和Silberberg,2008),弹性基因型之间没有差异。 那么多巴胺对努力和奖励的影响在哪里呢?

个体膳食数据(即,膳食的数量,持续时间和大小)的分析表明DATkd小鼠吃的大基因型效应 但是 饭菜。 也就是说,虽然多巴胺没有显着改变他们的总体消费,但确实改变了他们的膳食模式 - 他们暂时分配他们的努力和消费的方式。 这些数据表明,不断上升的成本导致了野生型和DATkd中的稳态保护机制的稀缺状况。 为了避免这种人为的稀缺状况,我们进行了一个家庭笼进行比率研究,其中随着每个后续颗粒的成本增加2,每次进餐或压榨时出现不断增加的成本。 在30停止所有按下之后,比率重置。 通过这种方式,老鼠可以将努力转向更大,更昂贵的膳食,或更小,更便宜和更频繁的膳食,而不会牺牲整体消费。 在本研究中,我们观察到组间没有显着的体重变化,并且总体消耗没有显着差异。 然而,DATkd小鼠再次吃更大的膳食并且在个体发作中表现出更高的断点,与先前的文献一致,表明多巴胺升高增加了渐进比例范例中的断点。 然而,如上所述,这种更大的努力被较少频繁的膳食抵消,使得总体消费没有不同。 从这些研究中,我们得出两个重要结论。 首先,多巴胺对追求食物的影响,至少在这种范例中,似乎仍然处于稳态控制之下。 其次,多巴胺似乎并没有改变全球意义上的“想要”或整体追求食物,但似乎调节了在目标追求的暂时局部情节中消耗的努力。 简而言之,多巴胺似乎影响了能量和努力的方式 分布 而不是增加食欲动机 本身.

我们在这里观察到,增加的多巴胺不会使需求更具弹性; 那是, 最划算 高多巴胺能小鼠与野生型相似,使其消耗量与响应成本相适应。 从表面上看,这似乎与许多研究相矛盾,这些研究表明刺激或阻碍多巴胺传递可以分别增强或减少基于努力的反应(例如, Aberman和Salamone,1999; Bardgett等人,2009; Salamone等,2009b),可能会影响成本的弹性。 然而,我们观察到在这些研究中观察到的相同现象:多巴胺促进了更大的努力 回合 食物追求,通过大餐和更高的断点证明了这一点。 然而,我们还观察到基于会话的研究不能 - 我们可能推断出弹性变化的这些努力差异不一定伴随着总体消费和需求的变化。 较大的膳食可以通过减少膳食来补偿,从而导致总体上类似的弹性以应对不断上升的成本。 在这些研究中,升高的多巴胺不会产生无弹性并不意味着多巴胺从不调节弹性,只是多巴胺,努力和需求之间的关系可能比以前认识的更复杂。

升高的多巴胺:不会增强特征价值或改变行为选择

多巴胺和奖赏假设中隐含的另一个想法是 多巴胺增加了对...的追求 首选 食品 (Salamone等,1991; Cousins等人,1993; Salamone,1994; Lowe和Levine,2005; 郑等人,2009; Berridge等,2010; 肯尼,2010; Volkow等人,2010),“首选”通常被定义为可口的,享乐有益的食物:味道好的东西。 从激励突出的角度来看,多巴胺可以增强与优选食物相关的更大激励。 萨拉蒙等人对此提出异议。 (Salamone等,1991; Salamone,1994) 已证明在自由摄食条件下,多巴胺功能的变化不会改变偏好; 也就是说,当没有(或低)工作要求时,多巴胺不会增加激励或改变食物偏好。 然而,在他的研究中,获得一种首选食物 is 与反应成本相关的多巴胺会增加动物的工作量,从而改变动物的 行为选择 支持更多追求首选食物(Salamone,1994; Salamone等,1994),这通常被认为是通过降低对相关成本的敏感性,增加的多巴胺将增加对自然觅食环境中优选食物的追求。

在最近的一系列研究中(Beeler等,2012b),我们检查了营养和享乐,味觉,价值对消费,偏好和强化的相对贡献,并询问多巴胺升高如何改变这些。 为了测试单独的味道价值,我们使用了不含卡路里的甜味剂(三氯蔗糖和糖精)。 为了测试单独的营养价值,我们使用缺乏甜味受体的trpm5敲除小鼠,并且味道不甜(Damak等人,2006; de Araujo等,2008),让我们评估营养的影响。 在这两种情况下,我们使用在多巴胺转运蛋白中有和没有敲低的小鼠来测试多巴胺升高的作用。 文献表明,多巴胺含量增加会对更多具有高价值的食物产生更大的影响。 由此,我们可以预测多巴胺升高会优先影响享乐而非营养奖励。 我们首先发现,尽管享乐和营养价值都会增加消费和偏好,但从营养价值中分离的享乐价值是一种不良的强化剂。 也就是说,小鼠会消耗不含卡路里的甜味溶液并且更喜欢用水,但是在没有热量值的情况下的甜味缺乏在两瓶调理试验中诱导调理的能力。 此外,在渐进比率测试中,蔗糖诱导增加了跨会话的响应。 相比之下,不含卡路里的甜味剂引起的反应更少,实际上在各个疗程中都有所下降,类似于所谓的“灭绝模仿”(Wise等人,1978)。 贝里奇和罗宾逊(Robinson和Berridge,1993有着名的描述了成瘾中“想要”和“喜欢”之间的分离,成瘾者在没有“喜欢”的情况下发展“想要”药物; 也就是说,推动强迫性药物追求的激励与其享乐的后果无关。 这些数据表明“喜欢”的互补分离没有“想要”,人们可以体验积极的享乐反应而不会发展推动强迫性寻求未来体验的联想激励(Beeler等,2012b).

与预期相反,多巴胺升高并没有显着改变单独的享乐,甜味的动机,但确实增加了单独的味道/营养以及单独的营养的努力。 先前对多巴胺释放的研究表明,多巴胺仅在味道上被释放(例如,使用口内插管刺激味道而没有后消化作用)(Mark等人,1991; Hajnal等人,2004; Norgren等,2006; de Araujo等,2008; Wheeler等,2011)。 那么,为什么我们在没有营养的情况下观察到减少强化到甜味? 我们进行了伏安法研究,其中大鼠预先暴露于蔗糖和糖精颗粒,每个颗粒具有识别味道,以使他们有机会辨别和了解每个的相对营养价值(Beeler等,2012b)。 然后,我们测量了响应蔗糖或糖精的诱发多巴胺释放。 大鼠平均回收和消耗两种类型的颗粒; 然而,当我们测量诱发的多巴胺释放时,与蔗糖相比,对糖精的反应大大减弱。 在一项随访研究中,对于预测蔗糖或糖精的线索,观察到相同的诱发多巴胺衰减(McCutcheon等人,2012)。 单独减少多巴胺对无热量味道的反应与在用小鼠进行的行为研究中观察到的减少的响应和明显的消退模拟一致。 简而言之,这些研究表明增加多巴胺,虽然它增加了努力并改变了能量消耗的分配(即膳食模式),但没有改变消费或偏好,并且没有增加“缺乏”具有享乐价值的食物的“缺乏营养” 。

在传统的并发选择任务中(Salamone,1994)动物可以选择杠杆按压优先食物或在一小时的时间内免费享用标准食物。 Salamone及其同事已经证明,多巴胺可以增加首选食物与标准食物的比例; 也就是说,多巴胺改变了行为选择,以支持更昂贵但更受欢迎的选择。 许多人从这项工作中推断,多巴胺会增加对优选食物的追求。 我们通过进行家庭进行比例同时选择实验来测试这种推断,其中小鼠可以按压以获得优选食物(PR2),无卡路里的甜味剂或蔗糖,或者吃可自由获得的食物。 在这种半自然主义的范例中,如上文的需求和家庭进步比率研究中所报告的,增加的多巴胺将努力的分配转向更大的能量消耗(即,更长的压力,更大的断点,但更少的总体发作)。 然而,尽管付出了更大的努力,多巴胺的升高并未改变其行为选择,这反映在优选食物与标准食物的比例中。 Salamone认为,在并行选择范式中观察到的对优先食物的加强努力反映了对响应成本的敏感性的改变而不是改变的偏好(Salamone等,2007)。 这些数据通过伪造推断在并发选择范例中观察到的增加的努力将增加奖励追求来证实和扩展这一论点。 在半自然环境中,我们观察到对Salamone观察到的优选食物的相同增强努力,但这不会改变消费,偏好或行为选择,而是反映不同的能量消耗策略。

整合奖励和行为能量管理

这些发现很难仅根据目前的多巴胺和奖励理论来解释。 (1)我们观察到奖励历史和选择之间的耦合减少,而不是增加奖励对行为的影响,这表明多巴胺会引发更大的探索; 那是, 通过奖励偏向选择。 (2)多巴胺似乎在稳态调节的限制下工作,而不是过度使用稳态机制并促进过量消耗,改变了 分配努力 在不改变总体消费的情况下追求食物; 也就是说,多巴胺诱导更大的活力但不是更大的“缺乏”。(3)多巴胺不再将努力,消费和行为选择转移到更偏好的食物上,而是在不改变消费,偏好或选择的情况下再次增加活力; 也就是说,对成本的明显降低的敏感性并没有改变食欲目标。 所描述的研究都指向一个共同的主题:多巴胺正在调节行为能量 支出。 多巴胺对努力和支出的调节被视为非特定效应 - “广义活动” - 和/或作为努力的重新分配,克服与追求目标相关的响应成本(Salamone等,2007)。 在本文的其余部分,我们将尝试整合多巴胺的奖励和活动调节方面。 为此,我们将提出另一种观点:多元胺对奖励的影响是在调节行为能量消耗的次要和服务中产生的,将奖励系统置于能量消耗与可用资源协调的更大范围内。

多巴胺:行为能量管理系统

能源及其使用是适应的最后底线。 从温度调节到繁殖再到能源本身的获取,所有有机体的需求和功能都需要能源。 维持充足的供应可能被认为是进化的主要指令。 已经将许多注意力集中在调节能量的获取,消耗和存储的系统上,但是很少关注控制能量消耗的系统。 然而,除了在确定能源平衡(即消费-支出=净平衡)方面成为“平等伙伴”之外,实现能源在不同活动中的最佳分配对于适应至关重要。 也就是说,动物利用其可用能量所做的事情与获取能量一样重要。 但是,如何最佳地控制能源支出取决于环境条件。 在能源丰富的环境中,勘探,锻炼和能源消耗是自适应的。 在能源匮乏的环境中,充分利用先前的经验和节约能源是至关重要的,这可以最大程度地发挥人们的能量消耗。 根据这种观点,有效的能源管理需要确定(1)我必须消耗多少能源,以及(2)我需要多么谨慎地或有选择地部署它。 我们将这两个问题定性为能源管理的两个轴:分别是消耗与节约,探索与利用(图 1).

图1
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图1。 用于调节多巴胺行为能量消耗的两轴概念框架。 水平轴代表多巴胺在从低活性(保存)到高活性(消耗)的连续过程中调节广义活性水平的作用。 纵轴表示多巴胺通过调节奖励信息偏向行为活动分布的程度来调节勘探与开发之间的平衡。 “多巴胺功能”在这里被广泛地解释,不仅可以包括靶区域中细胞外多巴胺的浓度,多巴胺神经元的活性(即滋补活性的速率,爆发的发生率),还可以包括诸如不同受体的相对表达的参数(例如, D1和D2),多巴胺转运蛋白(DAT)的表达和活性以及囊泡释放的特性,包括易于释放的池大小和囊泡大小。 作为一般的概念原理,我们将减少的多巴胺功能与保护和开发(左下象限)联系在一起,将增加的多巴胺功能与支出和勘探(右上象限)联系起来,如较大的箭头所示。 但是,多巴胺系统不同方面的改变(例如,改变D1和D2受体的相对表达)可能会改变这种关系,从而产生其他象限所描述的行为,例如高支出加上对奖励信息的更大利用(右下象限)。

在当前的假设中,我们将这两个能量消耗轴与两个有据可查的多巴胺功能相关联。 首先,我们将多巴胺在调节广义活动上的作用与支出节约轴联系起来。 其次,我们建议多巴胺在奖励中的作用不是调节奖励激励和食欲追求 本身,但要使用 奖励信息 规范 分配 能量对不同的活动,调解探索 - 利用轴; 也就是说,如何有选择地部署能源? 我们在多巴胺和奖励的TD学习模型中构建多巴胺的第二个方面,其中多巴胺介导两者(1)学习 关于 奖励 - 即为指导能量消耗的刺激分配价值,以及(2)奖励信息偏向行为选择的程度,构建第二轴,探索 - 利用,如 精力充沛的节俭:我需要多小心地利用我的可用资源?

通过强调能量消耗的管理而不是奖励调节作为多巴胺的主要功能,许多难以调和的观察结果可以凝聚成一个中心组织隐喻,用于理解多巴胺在行为中的作用。 在以下部分中,我们将简要介绍这一假设的核心要素,以及当前关于多巴胺的观点和文献。

应该注意的是,多巴胺系统是复杂且多方面的。 除了细胞外多巴胺浓度和强直和多相多巴胺细胞发射的速率外,“多巴胺功能”可包括调节其靶标的释放,调节合成,囊泡包装和易于释放的库,受体表达和功能的变化以及多巴胺转运蛋白的改变。和重新摄取。 作为阐述目的的必要简化,我们将谈到“高”和“低”多巴胺功能,这在文献中并不罕见。 这种模糊的复杂性代表了多巴胺系统可以对其功能进行更细致,灵活和复杂调节的潜在机制。 在图中 1正是这些复杂性让我们不再将多巴胺视为从高到低的单线(如中间所示),而是作为一种更复杂的功能,可能跨越所描绘的二维空间。 然而,理解这些复杂性取决于解释框架,围绕该解释框架组织更详细的信息。 在这里,我们专注于阐述一个 骨骼 替代框架,并不试图吸收有关多巴胺的所有知识,也不会详细说明可能涉及多巴胺信号传导的每种机制,这对单篇论文来说是一个棘手的挑战。

多巴胺:在内部世界和外部世界之间进行调解

多巴胺系统介于两个刺激世界之间:外部和内部。 一方面,多巴胺调节生物体对环境刺激的反应。 从多巴胺和奖励的强化学习角度来看(Montague等人,1996; Schultz等人,1997),多巴胺批判性地介导关于刺激(状态)的价值的学习以及哪些反应(行动)是最佳的(Reynolds等,2001; 舒尔茨,2002; McClure等,2003; Daw和Doya,2006; Day和Carelli,2007; Day等人,2010; Flagel等,2010; Gan等,2010; Day等人,2011)。 激励 - 显着性观点认为,多巴胺可以调整与环境刺激相关的激励价值,从而改变刺激偏向行为选择的程度(Phillips等,2003; Berridge,2004; Roitman等,2004; Cagniard等,2006b; Day等人,2006; Cheer等,2007)。 在这两种情况下,尽管机制上存在很大差异,但多巴胺都在调节生物体对外界刺激的反应。

最近的研究表明,多巴胺和稳态系统之间存在复杂的相互作用,监测和发出有关内部生物环境的信息(戴维斯等人,2010a; de Araujo等,2010; Figlewicz和Sipols,2010; Opland等,2010; Vucetic和Reyes,2010)。 中脑多巴胺神经元表达许多与稳态机制相关的循环信号的受体,包括瘦素,生长素释放肽,食欲素和胰岛素(广泛综述, Figlewicz和Sipols,2010)。 除了直接感应稳态信号外,多巴胺核还接受与稳态控制机制相关的各种底物的投射,包括下丘脑投射(Opland等,2010)。 人们普遍认为,这些输入会调节奖励过程。 例如,经常提出循环瘦素会降低多巴胺的活性,进而降低食物的奖赏价值,从而减少食欲行为(Morton等人,2009; 戴维斯等人,2010a; Figlewicz和Sipols,2010; Opland等,2010; Vucetic和Reyes,2010)。 这些稳态输入的确切作用仍然存在争议。 这里的关键点是多巴胺系统接收有关生物体内部环境和稳态的大量信息,使其能够根据内部需求和需求利用生物体对环境的了解; 也就是说,调整行为以优化这两个世界,内在和外在,有机体和世界之间的关系。 当然,从某种意义上说,整个大脑已经进化到内在和外在世界之间,但是多巴胺系统的广泛和扩散的投射,以及聚集在它上面的各种输入以及它在调节各种各样的方面的明显作用。从动机到运动执行的行为和过程,以及跨物种的高度保守,表明它可能已经演变为在适应中发挥一些基本的,关键的作用。

多巴胺:把欲望放在预算上

很少有人会认为多巴胺整合内部和外部信息以使行为适应环境条件并最佳地满足有机体需求。 困难的问题是 形成一种 多巴胺能达到这个目的吗? 也就是说,什么是主要的 效应 多巴胺适应行为的机制? 流行的观点,几乎是霸权,是多巴胺调节奖励过程 - 无论它是否介导学习奖励,激励的表达或两者的某种组合 - 并因此塑造动机:有机体追求的目标和活动以及活力这些都是追求的。 关键的是,调制的轨迹是 食欲:多少奖励诱导其追求。

虽然讨论得多,但多巴胺也会调节活性水平。 与这种活动调节一致,Salamone及其同事长期以来一直认为多巴胺可以调节朝向目标的努力(Salamone等,1997, 2005, 2009a)以及广义活动水平(Cousins等人,1993; Correa等,2002),观察是当前假设的核心。

我们将论证多巴胺调节能量消耗以协调行为与能源资源; 也就是说,多巴胺不会调节欲望,而是将其置于能量预算之上。 在这种观点中,能量可用性而非奖励是影响多巴胺能行为调节的主要因素。 在下面的章节中,我们将详细阐述多巴胺的能量管理假设,讨论多巴胺调节能量消耗的第一效应机制,然后讨论多巴胺系统利用奖励信息调节能量分布的机制。 在详细阐述假设之后,我们将特别关注多巴胺在肥胖中作用的另一种说法。

Axis I:Conserve-Expend

在接下来的部分中,我们将详细介绍多巴胺在调节能量消耗方面的作用,以及保护和支出的连续性。 在所开发的观点中,调节能量消耗 - 无论是广义活动还是针对特定目标的努力 - 基本上都与奖励无关,而是取决于可用的能源资源。 我们将争辩说,奖励在确定奖励方面起着独特的作用 分配或分配 能量消耗的支出,由探索 - 利用轴代表,并在“轴II:探索 - 利用”一节中讨论。

多巴胺和广义活动:花费还是储蓄?

数十年来,多巴胺水平升高与活动增加有关。 增加多巴胺释放的药物,如安非他明,可卡因或多巴胺再摄取抑制剂,会增加人类和啮齿动物的广泛活动(凯莉,1975; Mogenson等,1980; Beninger,1983; Ahlenius等,1987; Carlsson,1993; Xu等人,1994; Sedelis等,2000; Correa等,2002; 大卫等人,2005; Viggiano,2008; Charntikov等人,2011)。 D1激动剂或拮抗剂的施用分别增加和降低活性。 D2作用药物在抑制性间接途径中对突触中神经元进行突触后作用; 然而,它们也在多巴胺和谷氨酸末端的突触前作用,并作为多巴胺细胞体上的自身受体。 因此,低剂量的喹吡罗(一种D2激动剂)会抑制通过自身受体激活降低多巴胺释放的活性,而高剂量的喹吡罗会增加活性,可能是通过激活突触后D2受体,降低抑制性间接途径的活性(Lomanowska等,2004)。 在啮齿动物中,一些滥用CNS抑制剂(例如吗啡)的成瘾药物会增加活性,这种效应被认为是由多巴胺释放增加引起的(Koek等人,2012)。 阻断多巴胺再摄取的药物会增加活性(Billes和Cowley,2008; Young等,2010)和DAT表达与运动活动相关。 多巴胺转运蛋白表达降低,导致多巴胺升高的小鼠过度活跃(Cagniard等人,2006a).

虽然毫无疑问多巴胺可以调节广义活性,但人们对它的作用机制知之甚少。 事实上,没有一个通用的框架可以概念化“一般化的活动”或“唤起”究竟是什么(Quinkert等,2011)。 在啮齿动物中,通常使用开放场,跑轮或家庭活动监视器来测量广义活动。 每个反映一般活动水平的程度都有争议(Dishman,2008; Viggiano,2008; Hesse等,2010; Garland等,2011)。 例如,开放场可以被视为一般活动,探索行为或“情绪”的衡量标准。跑步轮,因为跑步在啮齿动物中高度强化(Wagner,2005; Brené等人,2007; Greenwood等,2011),可能会与奖励过程混淆。 尽管如此,增加多巴胺会增加所有三种测量的活动,相反,减少多巴胺会降低所有三种测量的活性(Ahlenius等,1987; 庄等人,2001; Correa等,2002; Leng等人,2004; Beeler等,2006, 2009; Dishman,2008; Kitanaka等,2012).

不是将“广义活动”视为与目标导向的奖励驱动行为截然不同,另一种观点是多巴胺表示能量可用性并引发能量消耗,无论是针对有益的,强化的活动,如车轮运行(或杠杆按压),朝向探索,例如在空旷的田野中,或者仅仅在家笼中每天做更多类似鼠标的东西。 几十年来,作为精神兴奋剂的使用者证明:多巴胺是活力的。 因此,多巴胺对广义活动的影响代表了能量消耗调节的基本效应因素,通过上调或下调行为活动消耗的能量,与该活动的指导方式无关: 独立于奖励.

多巴胺和努力:我能承受多少钱?

文献中充满了证据表明增加的多巴胺增加了追求目标的努力,通过渐进比例范例中的表现增加来规范地说明,在每个奖励获得后,每个后续奖励的成本增加(Hodos,1961)。 从历史上看,受试者在渐进比率测试中所做的努力被解释为强化效能的衡量标准:也就是说,我的工作有多么难以衡量奖励的价值或激励(Madden等人,2007a,b)。 这类似于根据某人愿意支付的价格来评估某物的价值。

但是,断点隐含地衡量成本效益的确定(Salamone等,2009a)。 尽管多巴胺有助于这种持续测定,但其作用仍不清楚(Salamone等,1997; Roesch等,2007; Day等人,2010, 2011; Ostlund等,2010)。 一方面,正如激励 - 突显理论所论证的那样,多巴胺可以增强与奖励相关的刺激的激励特性,从根本上增加感知 得益 (Berridge,2007; Gan等,2010)。 另一方面,Salamone及其同事认为,多巴胺降低了对成本的敏感性,从而降低了成本 成本 零件 (Salamone,2011, 也可以看看 Phillips等,2007)。 在这两种情况下,结果都是由于改变的成本效益确定而增加了对奖励的追求,这被视为提高的断点。 在传统的渐进比例范例中,很难辨别这两种可能性,因为行为结果看起来是相同的:增加努力和响应。 然而,上面讨论的家庭笼子研究可以区分这两种选择。 如果增加的多巴胺增加对奖励的敏感性,诱导更大的“缺乏”和上调食欲动机,那么我们期望看到更多的消费和更多的有益于更有益的食物的偏好。 我们没有观察到。 相反,我们观察到类似的消费,偏好和行为选择,但觅食策略转向更大的能量消耗。 但是,说DATkd老鼠是不正确的 麻木不仁 成本; 他们调整消费和努力以应对不断上涨的成本,就像野生型老鼠一样。 而且,在廉价昂贵的杠杆切换范例中,如果杠杆那样做 不能 开关,DATkd鼠标更喜欢与​​野生型相同的廉价杠杆。 相反,增加的多巴胺似乎将觅食策略转向更大的能量消耗。

在确定成本和收益之间的最佳平衡时,这两个因素都是在情境上偶然的。 一方面,利益取决于需要。 对于饥饿的老鼠来说,食物颗粒将比一个食物颗粒更有价值和激励。 动机状态在决定奖励和强化方面的作用在心理学和神经科学方面有着悠久的历史(Berridge,2004)并代表一个活跃的调查领域(Dayan和Balleine,2002; Balleine,2005; Fontanini和Katz,2009; Haase等,2009)。 然而,更不用说的是,成本的评估也可能是偶然的。 具体而言,与任何支出相关的成本取决于可用资源。 一位百万富翁首席执行官和一名贫穷的研究生对12.00机场热狗的成本评价不同。 对于啮齿动物,可能会应用类似的资源突发事件。 例如,如果仅有有限的时间可用(例如在一小时的操作会话中)以获得奖励,则延迟成本可能更显着。 类似地,与杠杆按压相关联的成本可取决于鼠标的一般可用能量。 因此,如果多巴胺降低成本敏感性,则有两种解释。 首先,相对于收益,成本敏感性降低; 也就是说,当比较成本和奖励时,多巴胺会降低成本因素以促进奖励(在功能上等同于增加激励价值)。 第二,多巴胺调节成本敏感性 相对于可用资源。 如果能源充足,则可以降低工作成本。

因此,我们认为多巴胺对努力的调节与报酬价值无关。 也就是说,多巴胺对努力的影响反映了相对于可用能源的能量消耗的直接调节,而不是调节成本和报酬之间的折衷的间接结果。 如上所述,由于多巴胺通常会增加能量消耗,因此它会增加特定活动中的能量消耗(或追求目标的活力),因此, 独立于奖励价值:如果你有精力,请使用它。

Axis II:探索 - 利用

在接下来的部分中,我们认为奖励是多巴胺介导的能量管理的核心功能:控制能量 分配 能量消耗,我们用探索 - 利用轴代表(图 1)。 在这种观点中,学到的奖励价值决定了不同活动的相对效用; 然而,在这个轴上至关重要的是 这些值(以及它们之间的对比)实际上偏向和塑造行为选择。 我们整合到这个轴强化学习和激励 - 显着性观点,认为相位多巴胺介导学习和更新奖励价值,正如人们普遍认为的那样, 补药 正如激励观点所暗示的那样,多巴胺可以衡量这些价值观对行为选择的影响,即学习价值的表达。 我们正式将这种激励规模重新定义为强化学习中的一种功能,它调节先前奖励学习偏向选择的程度; 也就是说,有多少既定的学习被利用。 我们将后一种功能分配给强直多巴胺并将其解释为调节 节约; 也就是说,调节能源支出的节俭。

多巴胺和目标选择:在能源消费中做出明智的选择

一个人的支出节俭取决于可用资源。 富人不必need钱数千美元,而穷人则需要数便士。 同样,生活在充满活力的环境中的动物不必担心能源节约,而生活在稀缺条件下的动物则必须明智地消耗能量。 因此,能源管理不仅需要如上所述确定能源支出的总体规模,还需要确定其对特定活动的分配。

我们的前提是,当能源随时可用时,能源消耗具有自适应优势,主要有两个原因。 首先,无数研究表明,身体活动对健康和长寿有显着贡献(Holloszy等,1985; Samorajski等人,1985; Paffenbarger等,1986; Holloszy,1988; Helmrich等,1991; Greendale等,1995; Booth等人,2000; Alevizos等,2005; LaMonte等,2005; Warburton等,2006; Gaesser,2007; Huffman等,2008; Hawley和Holloszy,2009; Mercken等,2012)。 在稀缺条件下,动物必须努力工作以寻找食物。 但是,在充足的条件下它们却没有。 一个能够在充足的食物条件下增加能量消耗的系统,可以保持活动水平和健康,至少可以防止动物成为脂肪,缓慢的食肉动物的晚餐。 此外,如果有能源,那么从勘探中将会获得信息优势,从而使动物能够更全面地了解其环境,以及将来可以利用的信息(Behrens等人,2007)。 因此,当有能量可用时,就存在诱导支出和行为探索的逻辑。 相反,当能量匮乏时,动物需要节约能量并最大程度地利用其对环境的了解。 在这里提出的假设中,多巴胺在奖励过程中的作用作为一种将能量分配给特定活动和刺激的机制而出现。

为了最佳地分配能量,需要两个主要功能。 首先,有机体必须首先确定刺激和行为的价值。 其次,有机体需要确定在做出行为选择时应该在多大程度上考虑这些价值:节俭或“价值意识”应该是多少? 多巴胺和奖励的两个总体观点,强化学习和激励 - 突出假设,提供了这两个功能。 在下面的部分中,我们将研究两个函数及其对explore-exploit轴的贡献(图 1)根据TD学习模型进行投射。

多巴胺和强化学习:价值会计

如引言中所述,“奖励”一词可能含糊不清。 在这里,我们采用信息视角,并将奖励定义为积极的价值结果信息。 需要解决的首要问题是多巴胺在将奖励历史与未来选择联系起来中的作用。 强化学习观点认为,多巴胺调节皮质纹状体可塑性以响应奖励,即积极的结果信息,从而调节学习 关于 刺激和有价值的行动。 动机观点,特别是激励 - 显着性,表明多巴胺调节 表达 以前学过的价值观(激励)。 目前的假设包含在TD学习框架内。

时间差异模型是一类强化学习算法,已成功应用于理解神经基质如多巴胺和基底神经节如何介导行为观察的强化学习。 在这些模型中,刺激和行动被赋予“价值”,其包含与那些刺激或动作相关的所有预期的未来奖励。 随着时间的推移,动物在时间上逐步向前移动,通过连续状态(即刺激,动作,奖励的配置)前进,在每一步向前推进先前的预测(t - 1)与实际接收的数据进行比较 t 加上未来剩余的预期回报,即估值为 t。 如果存在差异,称为预测误差,则先前的值为 t - 调整1,以便在再次遇到该状态时,它将更准确。 当动物及时向前移动时 t + 1,会发生相同的过程,这次调整预测值 t 通过将其与实际奖励进行比较 t + 1加上未来的期望值 t + 1,依此类推。 TD的名称产生是因为整个连续的状态,每个状态都有自己的“剩余”未来奖励的价值预测,每次调整一步。 正是这一系列的价值观与不同的状态 - 刺激和行动相关联 - 能够准确预测未来的回报。 简而言之,它是一种促进试验和错误学习的算法,动物总是如此, 在媒体水库并且通过经验逐渐积累特定刺激和行动的价值的准确估计。

时间差异模型有两个关键功能。 首先,他们学习。 如上所述,使用基于预测误差的更新规则,它们调整与刺激和动作相关联的先前值。 其次,他们做出决定。 也就是说,一旦有了一组值,就会有一个规则来说明这些值在选择一个动作时的用法。 这两个函数分别与两个参数相关联,通常称为alpha,学习率和beta,“温度”。 学习率决定新信息在多大程度上改变既定值,既对旧信息进行加权又建立“遗忘窗口”。温度参数确定当前值信息(即奖励历史)偏向行动选择的程度,频繁称为“explore-exploit”参数。

大量证据支持多巴胺在调节强化学习和皮质纹状体可塑性中的作用,这里不再赘述(Montague等人,1996; Schultz等人,1997; Reynolds和Wickens,2002; 舒尔茨,2002, 2010; Cannon和Palmiter,2003; 明智的,2004; Berridge,2007; Goto等人,2007; Redish等,2007; Robbins和Roberts,2007; Salamone,2007; 舒尔茨,2007; Dayan和Niv,2008; Kheirbek等,2008, 2009; Redgrave等,2008; Kurth-Nelson和Redish,2009; Lovinger,2010; Lüscher和Malenka,2011)。 这种学习功能主要与以毫秒时间尺度操作的相位多巴胺活性相关,并且不被认为直接代表奖励。 相反,如上所述从TD学习中提取,相信多巴胺被认为编码预测误差。 通过发出意外报酬或预期奖励失败的信号(Schultz等人,1997; 舒尔茨,2007; Flagel等,2010; Brown等人,2011; Day等人,2011),相位多巴胺通过改变突触重量通过其对皮质纹状体可塑性的影响来更新与刺激和动作相关的值。 在目前的假设中,我们接受并观察相位多巴胺在更新值中的这一功能,在某种意义上,它是一种会计功能:多巴胺不会设置,创建或任意缩放值,但在功能上提供教学信号来修改学习以准确反映与刺激和行动相关的价值。 简而言之,多巴胺的这种功能正试图“正确地获得价值”:任何成功预算的一个基本特征就是让数字正确。 也就是说,多巴胺在强化学习中的高度详细和机械功能使动物能够了解其环境 为了 更好地分配和利用其可用能源。

多巴胺和激励 - 突出:能源预算分配

相比之下,多巴胺的激励 - 显着性观点认为,多巴胺可以扩大多巴胺 的影响 奖励相关刺激对行为选择的影响(Cagniard等,2006b; Berridge,2007)。 也就是说,多巴胺调节与刺激相关的激励值偏向行为的程度。 一般来说,增加多巴胺被视为增加激励和扩大食欲行为; 也就是说,诱导更大的“缺乏”。这种观点与几十年的文献一致,显示增加的多巴胺导致增加的目标追求和努力,如上所述。 从本质上讲,这可能被概念化为增加 开发 奖励学习:奖励价值对行为选择产生更大的偏见。 然而,如果增加多巴胺导致开采增加,人们可能逻辑地预期减少多巴胺会导致更多的探索; 也就是说,行为将是 受到奖励信息的偏见。 然而,据我们所知,没有数据显示多巴胺减少导致探索增加。 相反,多巴胺的减少一直与活动减少和探索行为有关。 在上述行为灵活性家庭笼子研究中,我们发现升高的多巴胺降低了奖励历史和选择之间的耦合,有利于 勘探而不是开发,与几十年的开放式研究相一致,显示由于多巴胺增加导致探索活动增加(例如, 庄等人,2001)。 与目前的假设一致,Humphries及其同事最近的计算工作(Humphries等,2012)证明补品多巴胺可以调节探索和开发之间的权衡。 在他们的模型中,多巴胺对这种权衡的影响是复杂的和浓度依赖性的,但表明高多巴胺可以诱导探索行为。

我们提出多巴胺的激励 - 显着性观点,其中多巴胺可以衡量奖励价值影响行为选择的程度,捕捉能量消耗的多巴胺能管理中的关键效应机制。 通过调节探索和开发之间的平衡,多巴胺调节能量消耗的节俭。 然而,与目前的激励显着理论相反,我们认为多巴胺的作用大致与广泛解释的方向相反:多巴胺有利于 勘探的,也就是说, 减少 尽管作为Humphries等人的工作,但是通过奖励价值来偏向行为选择。 (Humphries等,2012)证明,多巴胺的这种功能的精确操作可能是复杂的。 在这种观点中,通过增强的多巴胺功能观察到的奖励追求的增加的努力不是由于增加的奖励值而是由于多巴胺能信号的结果。 花费 精力充沛,追求目标时节俭。

虽然,通过其在强化学习中的作用,(阶段性)多巴胺有助于学习价值,但图中的垂直轴范围 1 不代表价值 本身,从较小到较大的价值,但建立价值的程度 偏见 或直接的行为选择,范围从严重影响选择(利用)到最小影响(探索)的连续统一体。 这可以被解释为一种节俭轴线,其中更大的开采最大化对所消耗的能量的奖励,而减少的开采促进了勘探和更大的能量消耗。

学习的价值观如何以及在多大程度上指导行为选择,显然取决于许多因素,最明显的是有机体的动机状态,即“激励显着性”中的“显着性”,其中要考虑到有机体的内部环境。 的 外部 环境也需要考虑在内,特别是奖励的可用性,特别是能源。 如上所述,环境的丰富性决定了动物在能量消耗方面需要多么节俭,以及最大限度地利用先前学习需要多少。 Niv等人。 (2007) 有人建议,补品多巴胺会随着时间的推移编码平均奖励,这种形式化将环境中奖励的相对丰富或稀缺与行为活力联系起来。 在Niv提出的模型中,较高的平均奖励会带来更大的行为活力以降低机会成本; 也就是说,环境越丰富,失去的就越多,被描述为“懒惰的成本”。专注于能源供应,我们赞同这种观点,即补品多巴胺表明环境中能量的丰富或稀缺。随着时间的推移。 然而,在目前的观点中,我们认为增加的多巴胺反映能量丰富并导致更大的能量消耗,而不是将与多巴胺相关的增加的活力视为诱导更大的利用来降低机会成本。 开发; 也就是说,节能减少行为,有利于探索(但不是不活动)。

最后,人们普遍认为,学到的价值观可以成为目标导向或习惯系统的一部分(Daw等人,2005; Balleine等,2007),经常与背内侧和背外侧纹状体相关(Yin和Knowlton,2006; Balleine和O'Doherty,2010)。 在TD模型中,后者被视为“缓存”或“无模型”系统,其中刺激和行为的价值是不可理解的; 也就是说,这些值的推导方式无法进行检查。 相比之下,目标导向行为与“基于模型”的系统相关联,其中状态的“树”及其相关值被明确地表示,使得动物可以故意搜索树以确定如何导出和评估任何叶子的值。那些反对当前激励状态的价值观。 相反,习惯或缓存系统被认为对激励状态不敏感,尽管重要的是,对新学习不敏感(Balleine和O'Doherty,2010)。 正是因为无法根据当前目标“检查”缓存值,即使在没有动机的情况下,也会响应于刺激呈现而发出基于缓存值的习惯行为,直到驱动该行为的缓存值更新为止。 在TD模型中,温度参数调整值偏差行为的程度,而不考虑这些值的来源,即它们是否是高速缓存,无模型或基于模型的系统的一部分。 那么,问题就出现了,这里建议的探索利用的多巴胺调节是否同样适用于习惯和目标导向系统,这个问题我们无法回答。 在多巴胺减少可能导致剥削,节俭和保护的情况下,增加先前学习控制的过度行为,奖励/能量差环境和低剂量痛苦可以通过增加已建立的学习和价值观对行为的影响,增加基于习惯的控制。系统,虽然这显然需要进一步调查。

多巴胺和转移能量消耗:重新审视GO和NOGO途径

多巴胺的主要目标是纹状体(与多巴胺在奖励和运动控制中的作用广泛相关)Albin等,1989, 1995; Alexander等人,1990; Mink,1996; Everitt和Robbins,2005; Cagniard等,2006b; Balleine等,2007; Nicola,2007; DeLong和Wichmann,2009; 明智的,2009; Haber和Knutson,2010; Humphries和Prescott,2010; Sesack和Grace,2010)。 纹状体是皮质输入的主要切入点(Bolam等,2000)通过基底神经节最终返回皮质处理,包括众所周知的可重入皮质纹状体环(Alexander等人,1990; Alexander和Crutcher,1990; 亚历山大,1994; 米德尔顿和斯特里克,2000; 哈伯,2003; Lehéricy等,2005)。 皮质纹状体处理通过两个平行途径(不包括超直接途径)发生,直接和间接促进和抑制皮质纹状体通量(Albin等,1995; Mink,1996),分别有时被称为GO和NOGO途径(科恩和弗兰克,2009)。 GO途径主要表达D1,而NOGO表达D2(Surmeier等,2007),使得多巴胺活性的增加增强了促进性GO途径的活性,并减弱了抑制性NOGO途径的活性。 相反,减少多巴胺会降低GO活动并增加NOGO活动,这是帕金森氏病经典运动减慢模型的核心思想(Albin等,1989; Mink,1996)。 这种双通道结构的经典功能解释是“集中选择”,即GO通路隔离并促进选定的运动动作,同时NOGO通路抑制竞争行为和外来噪声,从而实现动作的清洁执行(Mink,1996).

然而,该相同的结构可以被解释为用于调节能量消耗的效应器机构。 通过改变GO和NOGO途径之间的平衡,多巴胺调节皮质纹状体系统的总通量以及调节其选择性(Beeler,2011)。 具体而言,增加的多巴胺有利于GO途径并减少NOGO途径。 这导致更大的整体皮质纹状体通量和更大的探索,因为在GO途径的皮质纹状体输入中表示的潜在作用在抑制性NOGO途径中面临较少的反对,减少了对选择作用的限制。 相反,当多巴胺减少时,存在更大的抑制性NOGO活性,导致整体较少的皮质纹状体通量和更大的利用,因为通过GO途径选择的作用必须足够强以克服NOGO途径的抑制性影响(对于学习观点)这个,看 Frank等人,2009)。 这为理解多巴胺的升高程度提供了基础 提高 整体活动以及 减少 该活动的选择性,即增加能量消耗和勘探。 相反,减少的多巴胺会降低总体活性但增加选择性,导致能量消耗减少和增加 开发 (数字 2)。 关于多巴胺在调节皮质纹状体吞吐量中的作用的更详细讨论可以在其他地方找到(Beeler,2011)。 因此,这种双路径结构为沿着所描述的两个轴调节能量消耗提供了潜在的基础:一方面调节整体活动(保存 - 消费),另一方面调节先前学习奖励的程度。被开发,探索 - 利用轴。

图2
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图2。 直接和间接途径调节皮质纹状体通量在调节能量消耗中的作用。 纹状体通过皮质纹状体 - 丘脑皮质环通过基底神经节调节皮质处理,通过两个途径,直接的,黑质纹状体(“GO”)和间接的纹状体(“NOGO”),分别主要表达D1和D2多巴胺受体。 多巴胺作用于GO途径中的D1(红色调盒),消除皮质纹状体通量促进活性,同时D2的多巴胺激活抑制NOGO途径(蓝色调盒),也通过抑制间接的抑制作用促进活性。 相反,多巴胺的减少减少了D1介导的GO途径的去抑制和D2介导的对NOGO途径的抑制,两者都用于限制皮质纹状体通量。 这些多巴胺效应由GO途径的绿色箭头表示,表明促进皮质纹状体通量和NOGO途径的红色停止箭头表明抑制皮质纹状体通量。 多巴胺增加和减少对能源支出和分配的影响总结如下,两个轴(保护 - 开支和探索 - 开发)在单一规模的限制性能源部署(限制性开支侧重于利用奖励信息)上的崩溃扩张的能源支出(高支出分配给行为活动,即探索),其中限制性能源使用由蓝色和膨胀的能源使用红色代表。

多巴胺及其多样化的目标:管弦乐或进化的Bric-a-Brac?

在上一节中,我们关注纹状体中的多巴胺作用,广泛地被认为是强化学习的主要基质并且涉及动机和运动控制。 然而,多巴胺在大脑中广泛投射,例如,对前额皮质有重要的预测。 此外,除了广泛研究的黑质纹状体和mesoaccumbens通路,投射到背侧和腹侧纹状体并分别与运动控制和习惯以及动机相关,所研究的多巴胺核,包括与下丘脑相关的多巴胺核,所有这些都很少。可能(或可能不)以潜在的不同方式为能源管理做出贡献。 多巴胺和能量管理假设的发展要求询问不同目标中的多巴胺调节如何有助于协调的能量管理。 在这一点上,我们无法合理地推测这个问题。

然而,对这个问题的反思引发了一个问题,即是否真的存在多巴胺的某些最重要的“功能”? 或者多巴胺获得了各种不相关的功能,因此发现多巴胺的“那个”功能的概念代表了一个傻子:也许我们今天观察到的多巴胺功能演变为错落有致的,进化的brac-a-brac,偶然收集的偶然适应。 从文学中,人们得到了很多人相信的感觉 is 多巴胺的总体功能 - 最常见的是,“奖励”处理,以某种形式。 认为随着神经递质的功能在进化过程中阐述和转换,似乎并非不合理,这些阐述是作为主题的变化而出现的,进一步增强了已经赋予适应性适应性的某些功能。 即使这样的概念最终证明是错误的,在看似多样化,不相关的函数中寻找“共同点”也可以更深入地了解这些明显不同的函数如何相互作用以促进行为适应。 “中介奖励”虽然广泛而含糊不清,但在大部分文献中都是这一共同点,并取得了丰硕的成果。 在这里,我们建议一个替代的,总体功能,能源管理。

回到多巴胺在不同神经基质上的作用可能有助于能量管理的问题,我们只能从我们的假设的角度反思这个问题。 能源管理是一个基本的生物过程,就像繁殖,成长和应对压力一样,需要 协调 响应外部条件而跨多种底物进行的活动,以一种奖励的方式,可能是对外部世界中的事件的奖励。 多种底物朝向单一目标或目的的协调编排是激素(例如生殖激素或压力激素)的特征。 考虑到多巴胺在多个目标上的分散投射和作用,因此很容易接受这样一种观念,即多巴胺可能已经进化出类似激素的功能,以协调多种神经基质并协调行为,从而最佳地适应了生物体自身所处的主要能量环境。 尽管公认的广泛而具有投机性(但请参见 Ugrumov等,2012),有趣的是,那么,背侧与腹侧纹状体,或前额叶皮质与下丘脑的多巴胺调节如何可能代表不同神经基质与不同功能朝向单一目的的协调,使行为适应能量有机体必须解决其生存的环境。

多巴胺与肥胖:另类视角

近年来,人们越来越关注多巴胺在肥胖症中的作用,其中有几篇高调的论文将过度饮食与食物成瘾相提并论(Volkow和Wise,2005; Trinko等人,2007; Avena等,2008; Corwin和Grigson,2009; Dagher,2009; 戴维斯和卡特,2009; Ifland等,2009; Pelchat,2009; 约翰逊和肯尼,2010; Volkow等人,2010)。 这些理论关注多巴胺在调节奖励过程中的作用,表明在现代西方文化中,高度可口的食物很容易获得,这些美味的食物与滥用药物的行为类似,并导致增加的“缺乏”导致失去控制过度消费,尽管像瘾君子,个人意图抑制热量摄入(Berridge等,2010; Berthoud等人,2011)。 对此有两个相反的看法(戴维斯等人,2007; 戴维斯和卡特,2009)。 在第一个, 增加 与可口食物相关的不断增强的强化引起的多巴胺能功能导致超过正常稳态控制的动机增加(Finlayson等,2007; 郑等人,2009; Avena和Bocarsly,2011)。 从本质上讲,我们在真正美味的食物面前失去控制,这种效应被认为是由多巴胺的持续过度激活所介导的。 相比之下,已经提出了一种“奖励 - 缺陷”假设,其中a 赤字 多巴胺功能导致奖励信号减少,当人或动物试图“填补奖励空白”时,会产生过多的消费(Wang等人,2004; Geiger等,2009; 肯尼,2010).

在目前的假设中,我们认为增加的多巴胺有助于更大的能量消耗和探索,即, 通过奖励来偏向行为选择,有利于减少能量储存并提供对肥胖的保护,这与精神兴奋剂在诱导减肥方面的众所周知的效果一致(Vanina等,2002; Leddy等人,2004)。 相反,降低的多巴胺诱导能量保护和利用,即通过奖励更大的行为偏差。 在这种情况下,能量消耗和储存是有利的,导致暴饮暴食和体重增加。 值得注意的是,与精神兴奋剂相比,拮抗多巴胺(主要是D2)的抗精神病药物几十年来一直与体重增加有关(Allison和Casey,2001; Vanina等,2002虽然确切的机制仍然不确定。

瘦素,胰岛素和多巴胺:协调资源和支出

观察到肥胖中多巴胺功能降低,尤其是D2受体表达减少,已经产生了奖赏缺陷假说(Blum等,2000, 2011)通过试图补偿减少的奖励信号来驱动过度消费。 在这里提出的假设中,我们将重新解释这些数据。 当多巴胺功能降低时,这有利于节约能源和利用奖励信息:即“消耗和移动尽可能少”,这是肥胖的一个明显的方法。

激励分离:需要没有“想要”

数十年的优雅工作无疑已经证明,通过对中枢神经系统的作用,能量供应,特别是胰岛素和瘦素的循环激素有助于调节消耗和体重[见 Figlewicz和Sipols,2010 非常好的评论]。 与其在调节稳态能量平衡中的作用一致,瘦素和胰岛素作用于下丘脑中涉及调节摄食的多个靶标,包括NPY,POMC,α-MSH和AgRP(Figlewicz和Sipols,2010)。 这些观察结果与能量缺乏或盈余分别促进或抑制消费的动机减少驱动理论是一致的。

近年来肥胖人数急剧增加(福特和Mokdad,2008然而,提出了为什么这些稳态机制显然失败的问题。 人们普遍认为,中脑多巴胺系统调节激励动机 - 动机是由与刺激(包括食物)相关的奖励价值而非需求状态 - 通过促进所谓的非稳态或享乐喂养来调节这种稳态失败(Saper等,2002; 郑和Berthoud,2007; Lutter和Nestler,2009; 郑等人,2009; Berthoud等人,2011)。 大量证据表明,瘦素和胰岛素均可调节中脑多巴胺功能(Krügel等人,2003; Fulton等人,2006; Hommel等,2006; Roseberry等,2007; Leinninger等,2009)并改变食物追求和消费(Sipols等,2000; Figlewicz等人,2001, 2004, 2008, 2006; Hommel等,2006; Morton等人,2009; Davis等人,2010b).

在流行的观点中,大量数据似乎表明胰岛素和瘦素都会降低多巴胺的功能,从而降低了激励驱动的追求和食物消费。 从本质上讲,瘦素和胰岛素,通过发出足够的能量信号,代表功能性饱腹感信号,减少与食物相关的奖励(Morton等人,2009; Davis等人,2010b; Figlewicz和Sipols,2010; Opland等,2010; Vucetic和Reyes,2010)。 相反,当能量低,瘦素和胰岛素下降,抑制多巴胺和促进增强的激励/奖励驱动寻求食物。 这一总体思路与数据证明增加瘦素和胰岛素可减少奖励驱动行为(Carr等,2000; Fulton等人,2000; Sipols等,2000; Figlewicz等人,2004, 2006, 2007; Hommel等,2006; Farooqi等,2007; Rosenbaum等,2008; Morton等人,2009和相反,与减少瘦素/胰岛素相关的食物限制(哈维尔,2000),增加奖励驱动的行为(Carroll和Meisch,1980; Carr,2007, 2011; 戴维斯等人,2010a)。 简而言之,通过上调和下调多巴胺功能,瘦素和胰岛素调节与食物相关的激励,并且很可能一般地奖励敏感性(Morton等人,2006; 戴维斯等人,2010a)。 虽然瘦素和多巴胺的这一说法很直观,但故事可能更复杂(Palmiter,2007).

在肥胖的情况下,瘦素/胰岛素,多巴胺与奖赏行为之间的关系是矛盾的,并且与所概述的想法不符。 首先,肥胖症与瘦素/胰岛素敏感性降低相关,而不是预期的瘦素/胰岛素信号传导增加与热量摄入和肥胖症的增加相对应。Arase等,1988; Lin等人,2001; Wang等人,2001b; 迈尔斯,2004; Figlewicz等人,2006; Enriori等,2007; 戴维斯等人,2010a; Figlewicz和Sipols,2010; Koek等人,2012)。 其次,虽然我们可能预期这种观察到的瘦素/胰岛素敏感性降低导致多巴胺功能增加,类似于食物限制中瘦素/胰岛素信号减少,大多数研究报告 下降 多巴胺在肥胖中的作用(Di Chiara等,1998; Wang等人,2001a; 戴维斯等人,2008; Geiger等,2008, 2009; Li等人,2009; Vucetic和Reyes,2010)。 最后,正如上面引用的证据所示,人们可能会期望多巴胺能功能下降导致消耗减少。 相反,降低的多巴胺和食欲亢进同时发生。 然后,在肥胖症中,瘦素/胰岛素->多巴胺->奖励链在每个步骤中都被反转。

前两次反演突出了急性和慢性正能量平衡之间的关键区别。 人们普遍认为降低对瘦素/胰岛素的敏感性是由于其引起的 慢性两类。 正能量平衡,导致肥胖和代谢紊乱,并代表病理适应。 尽管对瘦素/胰岛素的敏感性降低,但与肥胖有关的多巴胺功能的反常减少也可能是(病理性)适应,正如在将肥胖与成瘾相比较的理论中经常提出的那样(Volkow和Wise,2005; Trinko等人,2007; Avena等,2009; Lutter和Nestler,2009; Avena和Bocarsly,2011)。 这使调查变得非常复杂,因为这意味着对于能量摄入,瘦素/胰岛素和多巴胺之间关系的每次观察,我们都要问“这种观察是否反映了正常功能或病理适应?”这种情况增加了做出不正常推论的风险。从病理状态起反应,反之亦然,下面讨论一个问题(笼诱导的肥胖症)。

第三次倒置 - 降低与肥胖相关的多巴胺功能促进而非抑制消费 - 表面上与多巴胺增强激励价值的观点相矛盾。 然而,这可能反映了控制消耗的神经基质的复杂性。 特别是,减少的激励动机和饮食过多可以共存。 戴维斯等人。 (Davis等人,2010b)最近提供的数据表明,瘦素通过两种机制调节多巴胺:通过中脑多巴胺细胞上的瘦素受体直接信号传导和通过下丘脑外侧的瘦素表达神经元间接信号传导来调节多巴胺细胞活性。 他们认为瘦素对LH的作用调节体内稳态,而对中脑多巴胺的作用调节努力的反应。 尽管这两种机制通常协同工作,但它们可能相互分离,以至于食品的消费和工作意愿不相关(例如, Greenwood等,1974; Salamone等,1991; Baldo等人,2002; Davis等人,2010b; Rasmussen等,2010)。 如果非稳态饲养是努力获得食物 - “缺乏” - 在没有需要的情况下(Berridge等,2010),瘦素/胰岛素/多巴胺对肥胖的病理适应可能反映了相反的情况:感知需要消耗食物而不需要花费精力,需要时不需要“想要”。

多巴胺和能量稳态:以支出为中心的观点

上面描述的这项工作几乎专注于消耗,即能量平衡的进气侧。 Leptin虽然不那么系统地调查,但也在调节能量消耗方面发挥作用(Pelleymounter等,1995; Williams等人,2001; Elmquist等,2005; Ludwig等,2005; van de Wall等人,2008; Leinninger等,2011; Ribeiro等,2011)。 然而,尽管多巴胺在调节活性中起着众所周知的作用,但对瘦素,胰岛素和多巴胺之间的相互作用如何调节活性和能量消耗的了解却很少。 从能源消耗的角度来看,人们可能希望瘦素/胰岛素表明能量的可获得性,会增加能量消耗并增加活动(Ribeiro等,2011) - “如果你得到它,使用它” - 这与瘦素降低多巴胺功能的观察不一致。 但是,最近的工作(Leinninger等,2009; Opland等,2010)表明瘦素和多巴胺之间的关系可能不简单和单向。 Leinninger及其同事建议leptin作用于LH 增加 多巴胺功能(Leinninger等,2009)多巴胺细胞上的瘦素受体激活会降低多巴胺功能(Hommel等,2006; Figlewicz和Benoit,2009). 乐山等。 (2010) 表明表达瘦蛋白受体的多巴胺细胞代表一个小的(~10%)亚群,其几乎完全投射到杏仁核的中央核。 当瘦素从过剩的能量增加时,它通过LH对多巴胺的主要影响可能是 提高 Ribeiro和colleauges观察到多巴胺功能并增强活动和能量消耗(Ribeiro等,2011):能量可用,使用它。 直接表达瘦蛋白受体的多巴胺细胞和投射可能在食欲中起不同的作用 学习- 与CeN相关(Holland和Gallagher,1993; Parkinson等,2000; Connor等,2001; Baxter和Murray,2002; Lee等人,2005; Paton等人,2006; El-Amamy和Holland,2007) - 超出当前讨论范围的有趣想法。 在这里提出的假设中,这种瘦素介导的多巴胺增加不会增加奖励,而是将活动的调节转向更大的支出和更大的探索。 更大的探索导致奖励敏感度/激励明显降低,因为行为是 偏见较少 通过奖励,虽然重要的是,仍然有动力。

以多巴胺为中心的以奖励为中心的观点认为,奖励和激励动机的上调或下调是多巴胺对能量稳态和肥胖的主要贡献。 当前的假设集中于多巴胺在能量消耗上的作用,并表明可利用的能量通常会增加多巴胺,从而导致活动和探索的增加,而奖励对行为选择的影响实际上已减小。 相反,低能量会减少多巴胺,从而节省能量并利用奖励信息,即 增加 奖励对行为的影响。 后者与经常被引用以支持“奖励缺陷”假设的观察一致,但在这里我们将这些数据解释为反映“奖励利用过剩”。这一假设表明高热量摄入应该增加多巴胺,并且通过增加活动,保护对抗肥胖。 然而,这种推定的机制在预防当前环境中的肥胖方面似乎没有比稳态机制更成功。 为什么?

阻碍能量消耗:小卧室和笼子引起的肥胖

这一假设可以预测,现代西方社会普遍采用的现成能源供应将增强多巴胺并促进能源消耗, 保护 对抗肥胖。 至关重要的是,这种影响取决于 机会 消耗能量。 喂食高脂肪,高热量饮食的啮齿动物的膳食诱导肥胖(DIO)是环境诱导的肥胖的普遍模型。 虽然被广泛认为是致肥胖环境的模型,但这种饮食上的啮齿动物并不普遍变得肥胖,显示出不同菌株之间的抗性程度(Brownlow等,1996; Funkat等人,2004; Novak等,2010)和个体之间,选择性繁殖肥胖易感和抗性啮齿动物的基础(莱文,2010)。 评估多巴胺介导的影响对DIO能量消耗的作用是困难的,因为这个问题尚未直接研究。

虽然在几种肥胖模型中已经证明轮子可以防止DIO(Zachwieja等人,1997; Levin和Dunn-Meynell,2004; Bi,2005; Moran和Bi,2006b; Patterson等人,2008, 2009; Meek等人,2010; Novak等,2010),这些研究中没有直接检查这种保护性自愿活动受多巴胺调节的程度。 肥胖倾向的OLEF大鼠在提供跑步轮时显示肥胖大大减少(Bi,2005)。 有趣的是,与对照组相比,这些大鼠的膳食模式类似于我们在DAT小鼠中观察到的情况:它们消耗更多但更少的膳食,但与DAT不同,它们的净消耗量增加(Moran和Bi,2006a,p.1214,图2)。 年轻的非糖尿病OLETF大鼠细胞外多巴胺增加,与DAT膳食模式表型一致(Anderzhanova等,2007)。 然而,在更晚期的糖尿病前期和糖尿病年龄,它们显示多巴胺显着下降(Anderzhanova等,2007)。 对这些数据的一种解释是,这些大鼠中多巴胺水平的升高使它们更容易摄取能量 支出但在没有自愿运动机会的情况下,能量消耗增加受阻,导致能量不平衡,肥胖和代谢紊乱。

一些研究表明,高脂肪/热量饮食会降低多巴胺功能,包括减少TH,减少受刺激的多巴胺释放和减少D2受体表达(Geiger等,2008, 2009)。 然而,观察到的多巴胺功能的降低是否是由于能量增加或继发于其他病理生理学的直接后果而引起的还不清楚。 具体而言,高脂肪/热量饮食与瘦素和/或胰岛素不敏感有关(Arase等,1988; Lin等人,2001; Wang等人,2001b; 迈尔斯,2004; Figlewicz等人,2006; 戴维斯等人,2010a; Figlewicz和Sipols,2010)。 这使得难以解释响应DIO的多巴胺功能的改变。 例如,尽管已经报道了DIO降低的D2功能,但这些观察结果通常在高脂肪饮食数周后发生,引入这些变化可能继发于瘦素和胰岛素的长期升高以及随后的瘦素/胰岛素不敏感性。 不幸的是,这种可能性很少得到解决,通常不会报告胰岛素/瘦素水平。 然而,在一项研究中,在HF饮食的2天后检测了D20和DAT表达并报告了胰岛素/瘦素水平,作者观察到DAT减少和 提高 在D2(南和黄,2007另见 Huang等,2005),两者都与活动增加一致。 在最近的一项研究中,这些作者观察到当大鼠从食物转换为高能量饮食时多巴胺系统功能的增加(South等人,2012)。 这些数据表明了 初始 对高脂肪和增加热量可用性的反应是 提高 多巴胺和 提高 表达抑制性D2受体,诱导更大的活性。 为了回答多巴胺系统如何响应大量可用卡路里的问题,消除歧义至关重要。 初始慢性两类。 反应和评估病理适应的程度,如瘦素不敏感性,存在。

DIO下多巴胺系统观察到的变化在多大程度上不是来自高卡路里饮食本身,而是来自缺乏运动机会? 也就是说,在与DIO相关的多巴胺功能减弱的观察中,我们不仅可以询问这在多大程度上反映了病理适应,而且还在于在多大程度上缺乏自愿能量消耗的机会 贡献 这个病理? 有证据表明车轮运行可以改变多巴胺系统的功能特征(MacRae等,1987; Sabol等,1990; Hattori等人,1993, 1994; 威尔逊和马斯登,1995; Liste等,1997; Meeusen等,1997; Foley和Fleshner,2008; Greenwood等,2011),包括增加的细胞外多巴胺,增加的转换,升高的TH mRNA和D2表达的变化。 在最近的一项区分突触后D2和自身受体的研究中,发现自身受体被下调,突触后D2上调(Foley和Fleshner,2008)。 此外,自愿活动可以减轻瘦素和胰岛素信号传导的病理适应,间接保护多巴胺功能(Krawczewski Carhuatanta等,2011)。 因此,自愿运动可以改善DIO中观察到的多巴胺功能减弱,尽管尚未对其进行系统研究。

在这里提出的假设中,通过上调多巴胺介导的行为活动,能量的增加将导致增加的探索和能量消耗,使动物能够利用丰富的能量供应并防止肥胖。 只要DIO范例没有通过将啮齿动物限制在几乎没有新奇,刺激或运动机会的小笼子中来提供探索和能量消耗的机会,它可能反映了 阻挠 在充满活力的条件下的能量消耗。 许多人认为,现代西方文化特有的久坐不动的生活方式可能会导致肥胖与饮食一样多或更多(鲍威尔和布莱尔,1994; Booth等人,2000; 希尔等人,2003; Chakravarthy和Booth,2004; Levin和Dunn-Meynell,2004; Warburton等,2006; Booth和Lees,2007; Elder和Roberts,2007; Hawley和Holloszy,2009; Chaput等人,2011),使DIO与理解现代社会中的肥胖高度相关。 然而,诱导性肥胖是否来自增加的热量消耗或缺乏有意义的机会消耗能量笼或“小隔室”诱导的肥胖 - 仍然不清楚。 同样,虽然广泛提出多巴胺通过调节奖励和食欲动机对DIO做出贡献,但其通过调节能量消耗的潜在贡献仍然在很大程度上未经研究,并且在传统的DIO范例中模糊不清。

未来方向:重新制定研究战略

多巴胺的奖励假设主导了对多巴胺的调查和思考; 实验通常是在该概念框架内设计的。 因此,评估所提出的假设所需的信息往往是缺失的。 通常,忽略活动水平。 这包括广泛的整体调查,其中存在对研究食欲行为和消费的深刻偏见,最近刚出现了关于控制自愿能量消耗到特定实验的机制的新生文献,例如许多DIO研究,其中活动未被测量或被纳入帐户[例如, Geiger等,2008, 2009]。 这种对奖励理论的偏见也反映在文献中,其中控制摄取和/或奖励的精细和复杂的途径已经被广泛地绘制出来,而控制自愿活动的机制和途径的可比较的映射几乎不存在(但参见 Garland等,2011)。 整合系统和商定的活动测量需要成为常规纳入多巴胺功能的研究。

其次,适应是依赖环境的。 目前,绝大多数动物研究有效地研究了一种能源经济:由于用于激励动物的食物限制而产生的定期,临时食物短缺。 这不仅没有反映出来 范围 动物必须适应的条件,但它并不反映被认为是肥胖增加的基本条件,肥胖是一种充足而非稀缺的环境。 一种半自然主义的笼子方法,正如我们的工作以及其他人所说明的那样(Hursh等,1988; Chaney和Rowland,2008)对于获得“完整”的多巴胺功能至关重要。 在这种笼式范式中,可以在持续的时间内沿着不同的维度控制环境突发事件,而无需人工引起的能量短缺(即食物限制)或引入人工的时间范围(小时时段); 也就是说,可以更充分地研究动物对环境的自我调节行为。

第三,几乎所有的工作都集中在多巴胺改变对行为的影响上,很少检查行为与环境的相互作用以及随后的结果如何改变多巴胺系统本身。 这些类型的研究无疑具有挑战性,正如关于压力如何改变多巴胺功能的文献所证明的那样。 尽管如此,它们似乎对完全理解多巴胺的适应性功能至关重要。 充足或稀缺的持续环境是否上调或下调多巴胺功能? 虽然这个问题可能很重要,但迄今为止没有明确或令人信服的答案,这个问题很少被问到。

结论:更广泛的观点

在这里,我们发展了一个广泛的多巴胺功能假说,这表明多巴胺的无数明显功能可以被理解为能量消耗适应动物自身能量经济的机制:协调追求奖励的基础。资源。 我们首先在理论上阐述了这一假设,试图将多巴胺功能的不同观点整合到更广泛的能源管理框架中。 然后我们应用这个框架来重新解释多巴胺和肥胖这个不断增长的领域中的想法和数据。 我们提出了一个新的假设,即通过支持能量消耗,多巴胺通常可以预防肥胖,但是现代社会的久坐生活方式阻碍了这种保护过程并诱导病理适应,而不是防止肥胖。 虽然超出了当前讨论的范围,但我们认为这里概括的框架可以有效地应用于多巴胺的其他研究领域,包括注意力缺陷多动障碍和成瘾,可能产生新颖的见解和可测试的假设。

奖励 - 外部事件和刺激与内部需求的联系 - 从进化的,自适应的角度来看,显然代表了一个关键的功能。 然而,奖励和价值从根本上是相对的。 奖励被调制的标准是什么? 在这里,我们建议多巴胺系统从根本上解决一个比奖励更基本的功能:最佳利用能源资源,适应性生存的核心,从字面上讲,是生死攸关的问题。

利益冲突声明

作者声明,研究是在没有任何可被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

这项工作得到了NIDA R01DA25875(Jeff A. Beeler),F31DA026802(Cristianne RM Frazier),R01GM100768(Xiaoxi Zhuang)和R56DK088515(Xiaoxi Zhuang)的支持。 我们要感谢审稿人的严谨和富有洞察力的评论,这些评论大大改进了最终的稿件。

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关键词:奖励,能量管理,多巴胺,基底神经节,激励突显,成本敏感性,努力,探索 - 利用

引用:Beeler JA,Frazier CRM和庄X(2012)将预期用于预算:多巴胺和能量消耗,协调奖励和资源。 面前。 INTEGR。 神经科学. 6:49。 doi:10.3389 / fnint.2012.00049

收到:30 April 2012; 接受:02 July 2012;
在线发布:20 July 2012。

编辑:

约翰J.福克斯,美国阿尔伯特爱因斯坦医学院

点评人:

Thomas A. Stalnaker,美国马里兰大学巴尔的摩医学院
约翰D.萨拉蒙,美国康涅狄格大学

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*通讯:Jeff A. Beeler,芝加哥大学神经生物学系,924 E. 57th St. R222,芝加哥,IL 60637,美国。 电子邮件: [电子邮件保护]