全脑电路动态和奖励相关行为的前额皮质调节(2016)

科学1 1月2016:Vol。 351没有。 6268

DOI:10.1126 / science.aac9698

  1. Emily A. Ferenczi1,2,*,
  2. Kelly A. Zalocusky1,2,*,
  3. Conor Liston3,*,
  4. 洛根格罗斯尼克1,2,
  5. Melissa R. Warden4,
  6. 德巴阿马蒂亚1,
  7. 基弗·卡托维奇5,
  8. 赫歇尔梅塔5,
  9. Brian Patenaude6,
  10. Charu Ramakrishnan1,
  11. 保罗卡拉西尼7,
  12. 阿米特埃特金6,
  13. 布莱恩克努森5,
  14. Gary H. Glover8,
  15. 卡尔戴瑟罗特的1,4,9,

抽象

奖励的动机驱动适应性行为,而奖励感知和经验(快感缺失)的损害可能导致精神疾病,包括抑郁症和精神分裂症。 我们试图检验内侧前额叶皮质(mPFC)控制特定皮质下区域之间相互作用的假设,这些区域控制着快感反应。 通过使用光遗传学功能磁共振成像局部操纵但全局可视化大鼠的神经活动,我们发现多巴胺神经元刺激驱动纹状体活动,而局部增加的mPFC兴奋性降低了这种纹状体反应并抑制多巴胺能刺激的行为驱动。 这种慢性mPFC过度活动也可以稳定地抑制自然奖励动机行为并诱导特定的新的全脑功能性相互作用,从而预测个体中的快感缺失程度。 这些发现描述了mPFC通过调节特定远端皮质下区域之间的动态相互作用来调节奖赏寻求行为的表达的机制。

一种调节奖励寻求的方法

哪些大脑区域与奖励相关的行为有因果关系? 费伦茨 et al. 结合局灶性,细胞类型特异性,光学成像操作与脑成像,行为测试和体内电生理学(参见Robbins的Perspective)。 中脑多巴胺神经元的刺激增加了称为纹状体的大脑区域的活动,并且与个体动物的奖励寻求相关。 然而,称为内侧前额叶皮层的区域的兴奋性升高降低了对多巴胺神经元刺激的纹状体反应和寻求多巴胺神经元刺激的行为驱动。 最后,调节内侧前额叶皮层锥体神经元的兴奋性推动了神经回路同步的变化,以及相应的八面体行为。 这些观察结果类似于在人类抑郁症,成瘾和精神分裂症中观察到的成像和临床表型。

引言

寻求和体验奖励的动力在物种间是保守的,并且在哺乳动物中,涉及皮质下多巴胺能系统和诸如纹状体的边缘结构之间的相互作用。 在许多精神病症中观察到的这一过程的损害是快感缺失的临床症状(失去享受)。 深喉炎的神经机制尚不清楚,但可能是由皮质和皮质下奖励回路之间的异常相互作用引起的。 我们试图检验这样的假设:升高的内侧前额叶皮质(mPFC)兴奋性(与快感缺乏相关的临床特征)对两个远端皮质下区域(多巴胺能中脑和纹状体)之间的相互作用发挥抑制作用。

基本原理

临床影像学研究已经检测到患有抑郁症的人类患者的mPFC活性升高,并且治疗与这种过度活跃的正常化和改善的阵挛症状有关。 此外,人体研究已经确定了响应奖励预期和经验的大脑区域,并且这种反应可以在精神疾病中得到抑制。 然而,这种奖励信号的来源及其调制的机制尚未得到证实。 我们将多种慢性和急性光遗传学工具与功能性磁共振成像(fMRI)相结合,为啮齿动物光遗传学的因果,细胞特异性和人类神经成像特征的全脑观察提供了桥梁,目的是在全球范围内进行操作和全球化可视化神经活动,以了解奖励寻求行为的规则。

成果

我们证明中脑多巴胺神经元的刺激驱动纹状体fMRI血氧水平依赖性(BOLD)活动和寻求奖励的行为,并且我们显示这些在个体之间是相关的。 我们还发现多巴胺神经元的沉默抑制了纹状体以及其他大脑区域(例如下丘脑)的活动,并且驱动了避免行为。 建立了对奖励寻求行为的双向控制之后,我们通过提高mPFC兴奋性来测试该电路的扰动。 我们观察到纹状体对多巴胺反应的抑制,以及寻找多巴胺神经元刺激和其他自然奖励刺激的行为驱动。 最后,我们证明稳定升高的mPFC兴奋性使皮质醇样BOLD和电生理活动同步,这反过来可以预测个体动物的快速行为。

结论

我们从涉及局部细胞特异性控制的实验中发现,同时对全身无偏见的神经活动观察,揭示了mPFC对中脑多巴胺能与纹状体的相互作用施加自上而下的控制,并且当升高时,mPFC中的活性可以抑制自然奖励。相关的行为。 此外,我们观察到皮质 - 皮质下神经动力学协同工作以调节奖励处理。 所有这些发现都对我们理解自然奖励相关的生理学和行为以及快感缺乏的发病机制有影响。

光遗传学fMRI用于局部操纵和全局可视化与奖励相关的全脑神经活动。 在清醒状态下扫描习惯性大鼠(顶部照片)。 我们确定纹状体BOLD活性通过多巴胺神经元的光遗传学刺激而增加,并通过光遗传学神经沉默而降低。 我们证明,局部升高的mPFC兴奋性通过对纹状体多巴胺诱导的活动施加自上而下的控制来抑制寻求奖励的行为,并驱动特定皮质边缘电路之间的同步性。