顱內(nèi)自身刺激實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (Intracranial self-stimulation，ICSS)已經(jīng)成為越來越重要的評(píng)估實(shí)驗(yàn)動(dòng)物情緒狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)方法，腹側(cè)被蓋區(qū)的多巴胺神經(jīng)元在ICSS中發(fā)揮作用，但這種現(xiàn)象背后的認(rèn)知表征仍不清楚。

基于此，2024年5月13日加州大學(xué)Melissa J. Sharpe研究團(tuán)隊(duì)在Nature neuroscience雜志發(fā)表了“Cognitive representations of intracranial self-stimulation of midbrain dopamine neurons depend on stimulation frequency”揭示了中腦多巴胺神經(jīng)元顱內(nèi)自身刺激的認(rèn)知表征取決于刺激頻率。

在這里，研究者發(fā)現(xiàn)多巴胺神經(jīng)元的20 Hz刺激不足以支持 ICSS超出持續(xù)強(qiáng)化的時(shí)間表，并且沒有賦予特定的價(jià)值。然而，多巴胺神經(jīng)元的50 Hz 刺激足以驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的 ICSS，并被視為激勵(lì)行為的特定獎(jiǎng)勵(lì)。這種效應(yīng)的頻率依賴性是由于多巴胺神經(jīng)元產(chǎn)生的動(dòng)作電位的速率（而不是數(shù)量）造成的。

圖一 50?Hz的超生理頻率支持強(qiáng)大的ICSS，并被編碼為特定的感覺事件

研究者首先將病毒雙側(cè)注入雄性的VTA中，將光纖雙側(cè)植入VTA并通過藍(lán)光傳遞（473nm，16mW，1s）刺激 VTADA神經(jīng)元。兩種聽覺線索連接蔗糖顆?；騐TADA刺激，記錄動(dòng)物運(yùn)動(dòng)活動(dòng)和進(jìn)入食品區(qū)的次數(shù)。兩種線索的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中都有所增加，線索引起的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)程度沒有差異，組間的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)也沒有差異。20Hz和50Hz條件下的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)缺乏差異可能表明階段性多巴胺并不能決定分配給線索的動(dòng)機(jī)活力。最后，飲食區(qū)的總體反應(yīng)沒有組間差異。結(jié)果表明兩組的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)在學(xué)習(xí)這兩種線索時(shí)都有所增加，并且只有食物配對(duì)的線索才會(huì)促進(jìn)進(jìn)入食物區(qū)。

圖二 20Hz刺激多巴胺神經(jīng)元作為教學(xué)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)感官特異性學(xué)習(xí)

接下來，研究人員想要探究對(duì)多巴胺神經(jīng)元的20 Hz刺激是否有效。為此，對(duì)一組新的大鼠進(jìn)行了一項(xiàng)陽性對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試對(duì)多巴胺神經(jīng)元的20 Hz刺激是否可以充當(dāng)產(chǎn)生學(xué)習(xí)的教學(xué)信號(hào)。將燈光與新的聽覺提示組合起來，產(chǎn)生相同的獎(jiǎng)勵(lì)（“blocking”；例如，室內(nèi)光+白噪音?→?蔗糖顆粒，閃光?+?點(diǎn)擊?→?谷物顆粒；）。刺激多巴胺神經(jīng)元（1秒，20Hz），所有鼠都學(xué)會(huì)在視覺提示出現(xiàn)時(shí)進(jìn)入端口，這不受引入聽覺提示或多巴胺刺激的影響，這表明所有鼠都知道視覺線索可以預(yù)測(cè)獎(jiǎng)勵(lì)，并且多巴胺神經(jīng)元的刺激不會(huì)干擾鼠對(duì)食物預(yù)測(cè)線索做出反應(yīng)的能力。在沒有獎(jiǎng)勵(lì)的情況下測(cè)試了對(duì)聽覺提示的反應(yīng)，看到鼠在食物區(qū)花費(fèi)了更多的時(shí)間，然后測(cè)試了在沒有獎(jiǎng)勵(lì)的情況下單獨(dú)對(duì)聽覺提示的反應(yīng)，以評(píng)估它們學(xué)到了多少知識(shí)（“探索測(cè)試”），結(jié)果發(fā)現(xiàn)鼠在食物區(qū)停留的時(shí)間更長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)表明，20Hz和50 Hz刺激參數(shù)的差異效應(yīng)是由于這些神經(jīng)元放電頻率的變化，而不是由于這些不同的頻率作用于不同的多巴胺神經(jīng)元群體。

圖三 20和50Hz的VTADA神經(jīng)元的光遺傳學(xué)刺激會(huì)在不同的時(shí)間尺度上產(chǎn)生相同數(shù)量的動(dòng)作電位，并在NAc中產(chǎn)生不同的多巴胺釋放

接下來將Cre依賴的ChR2病毒注入TH-Cre大鼠的VTA中，并在大鼠的 VTA 中植入光纖記錄多巴胺神經(jīng)元。神經(jīng)元的放電率在1秒刺激中總體上沒有明顯差異，刺激序列產(chǎn)生前十個(gè)動(dòng)作電位的潛伏期也存在差異。與 20 Hz刺激相比，50 Hz導(dǎo)致前10個(gè)尖峰的延遲減少，這反映出50 Hz刺激早期的爆發(fā)性發(fā)射更大。這些數(shù)據(jù)表明，不同的刺激參數(shù)產(chǎn)生相似數(shù)量的動(dòng)作電位，但50 Hz刺激參數(shù)產(chǎn)生的動(dòng)作電位時(shí)間較短。正是較高的頻率（而不是較多的尖峰數(shù)量）產(chǎn)生了這些刺激參數(shù)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化的能力的差異。接下來，檢測(cè)20 Hz和50 Hz刺激參數(shù)在下游多巴胺釋放方面有何不同。將ChR2病毒注入VTA，并將多巴胺sensor注入伏隔核。作者發(fā)現(xiàn)多巴胺神經(jīng)元的50 Hz刺激導(dǎo)致多巴胺的釋放明顯更高。這表明，盡管動(dòng)作電位總數(shù)相同，但50 Hz刺激引起的 VTADA細(xì)胞體中動(dòng)作電位的更快速率與下游更多的多巴胺釋放相關(guān)。

總結(jié)：

這些數(shù)據(jù)表明，這種效應(yīng)的頻率依賴性是由于多巴胺神經(jīng)元產(chǎn)生的動(dòng)作電位的速率（而不是數(shù)量）造成的，它以不同的方式調(diào)節(jié)下游的多巴胺釋放。

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