加州大学团队揭示中脑多巴胺神经元颅内自身刺激的认知表征机制

颅内自身刺激实验系统 (Intracranial self-stimulation，ICSS)已经成为越来越重要的评估实验动物情绪状态的一种实验方法，腹侧被盖区的多巴胺神经元在ICSS中发挥作用，但这种现象背后的认知表征仍不清楚。

基于此，2024年5月13日加州大学Melissa J. Sharpe研究团队在Nature neuroscience杂志发表了“Cognitive representations of intracranial self-stimulation of midbrain dopamine neurons depend on stimulation frequency”揭示了中脑多巴胺神经元颅内自身刺激的认知表征取决于刺激频率。

在这里，研究者发现多巴胺神经元的20 Hz刺激不足以支持 ICSS超出持续强化的时间表，并且没有赋予特定的价值。然而，多巴胺神经元的50 Hz 刺激足以驱动强大的 ICSS，并被视为激励行为的特定奖励。这种效应的频率依赖性是由于多巴胺神经元产生的动作电位的速率（而不是数量）造成的。

图一 50 Hz的超生理频率支持强大的ICSS，并被编码为特定的感觉事件

研究者首先将病毒双侧注入雄性的VTA中，将光纤双侧植入VTA并通过蓝光传递（473nm，16mW，1s）刺激 VTADA神经元。两种听觉线索连接蔗糖颗粒或VTADA刺激，记录动物运动活动和进入食品区的次数。两种线索的运动活动在整个实验中都有所增加，线索引起的运动活动程度没有差异，组间的运动活动也没有差异。20Hz和50Hz条件下的运动活动缺乏差异可能表明阶段性多巴胺并不能决定分配给线索的动机活力。最后，饮食区的总体反应没有组间差异。结果表明两组的运动活动在学习这两种线索时都有所增加，并且只有食物配对的线索才会促进进入食物区。

图二 20Hz刺激多巴胺神经元作为教学信号来驱动感官特异性学习

接下来，研究人员想要探究对多巴胺神经元的20 Hz刺激是否有效。为此，对一组新的大鼠进行了一项阳性对照实验，以测试对多巴胺神经元的20 Hz刺激是否可以充当产生学习的教学信号。将灯光与新的听觉提示组合起来，产生相同的奖励（“blocking”；例如，室内光+白噪音 → 蔗糖颗粒，闪光 + 点击 → 谷物颗粒；）。刺激多巴胺神经元（1秒，20Hz），所有鼠都学会在视觉提示出现时进入端口，这不受引入听觉提示或多巴胺刺激的影响，这表明所有鼠都知道视觉线索可以预测奖励，并且多巴胺神经元的刺激不会干扰鼠对食物预测线索做出反应的能力。在没有奖励的情况下测试了对听觉提示的反应，看到鼠在食物区花费了更多的时间，然后测试了在没有奖励的情况下单独对听觉提示的反应，以评估它们学到了多少知识（“探索测试”），结果发现鼠在食物区停留的时间更长。这些数据表明，20Hz和50 Hz刺激参数的差异效应是由于这些神经元放电频率的变化，而不是由于这些不同的频率作用于不同的多巴胺神经元群体。

图三 20和50Hz的VTADA神经元的光遗传学刺激会在不同的时间尺度上产生相同数量的动作电位，并在NAc中产生不同的多巴胺释放

接下来将Cre依赖的ChR2病毒注入TH-Cre大鼠的VTA中，并在大鼠的 VTA 中植入光纤记录多巴胺神经元。神经元的放电率在1秒刺激中总体上没有明显差异，刺激序列产生前十个动作电位的潜伏期也存在差异。与 20 Hz刺激相比，50 Hz导致前10个尖峰的延迟减少，这反映出50 Hz刺激早期的爆发性发射更大。这些数据表明，不同的刺激参数产生相似数量的动作电位，但50 Hz刺激参数产生的动作电位时间较短。正是较高的频率（而不是较多的尖峰数量）产生了这些刺激参数驱动强化的能力的差异。接下来，检测20 Hz和50 Hz刺激参数在下游多巴胺释放方面有何不同。将ChR2病毒注入VTA，并将多巴胺sensor注入伏隔核。作者发现多巴胺神经元的50 Hz刺激导致多巴胺的释放明显更高。这表明，尽管动作电位总数相同，但50 Hz刺激引起的 VTADA细胞体中动作电位的更快速率与下游更多的多巴胺释放相关。

总结：

这些数据表明，这种效应的频率依赖性是由于多巴胺神经元产生的动作电位的速率（而不是数量）造成的，它以不同的方式调节下游的多巴胺释放。

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