刺激频率决定多巴胺神经元自身刺激的认知表征

这篇论文报告了一项关于中脑多巴胺神经元自身刺激(intracranial self-stimulation, ICSS)的认知表征的研究。作者试图解答为什么大鼠会努力工作去获得ICSS,即多巴胺神经元的脉冲激活是如何在大脑中表征的。

研究背景: 多巴胺神经元的脉冲激活信号通常被认为是奖赏预测误差,在学习过程中起教师信号作用。但如果这个信号本身并不带有价值表征,为什么大鼠会为获得这种信号而努力工作呢?之前的研究并未深入探讨ICSS的认知表征基础。

作者来源: 本研究由加州大学洛杉矶分校(UCLA)和新泽西州立大学合作完成,第一作者来自UCLA心理系,合作者来自新泽西州立大学。该研究发表在自然神经科学(Nature Neuroscience)杂志上。

研究流程: 1) 将啰草酰胺可控光操纵离子通道2(channelrhodopsin-2, ChR2)基因导入多巴胺能神经元中,使之对光反应。 2) 训练大鼠学习两个不同的听觉刺激会分别导致糖水奖赏或多巴胺神经元的20Hz/50Hz光刺激。 3) 训练大鼠按杠杆获取糖水奖赏或多巴胺神经元刺激,难度逐步增加。 4) 进行Pavlovian-to-Instrumental Transfer (PIT)测试,观察听觉刺激是否能促进相应的杠杆按压行为。

主要发现: a) 20Hz光刺激多巴胺神经元(模拟生理预测误差信号)无法支持大鼠在较难情况下继续按杠杆,且相应听觉提示也无法促发特异性的PIT现象。 b) 50Hz非生理高频光刺激可促发大鼠持续按杠杆并产生特异性PIT现象,表明被编码为具体奖赏事件。 c) 20Hz和50Hz刺激使多巴胺神经元产生相似数量的动作电位,但50Hz产生更密集的短促脉冲,从而引发纹状体中更多多巴胺释放。

研究意义: 1) 生理预测误差水平的多巴胺神经元活动本身并不足以support奖赏寻求行为,不会被编码为奖赏事件。
2) 高频非生理刺激会被编码为具体奖赏事件,可能反映了成瘾者追求毒品的本质。 3) 多巴胺释放模式(峰值和持续时间)可能决定其作为教师信号还是奖赏表征的功能。

该研究阐释了ICSS的认知表征机制,多巴胺神经元活动模式与其功能作用之间的关联,对理解成瘾等病理学意义重大。