顱內(nèi)自身刺激實驗系統(tǒng) (Intracranial self-stimulation，ICSS)已經(jīng)成為越來越重要的評估實驗動物情緒狀態(tài)的一種實驗方法，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)強化的時間表，并且沒有賦予特定的價值。然而，多巴胺神經(jīng)元的50 Hz 刺激足以驅(qū)動強大的 ICSS，并被視為激勵行為的特定獎勵。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粒或VTADA刺激，記錄動物運動活動和進(jìn)入食品區(qū)的次數(shù)。兩種線索的運動活動在整個實驗中都有所增加，線索引起的運動活動程度沒有差異，組間的運動活動也沒有差異。20Hz和50Hz條件下的運動活動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機活力。最后，飲食區(qū)的總體反應(yīng)沒有組間差異。結(jié)果表明兩組的運動活動在學(xué)習(xí)這兩種線索時都有所增加，并且只有食物配對的線索才會促進(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)信號來驅(qū)動感官特異性學(xué)習(xí)

接下來，研究人員想要探究對多巴胺神經(jīng)元的20 Hz刺激是否有效。為此，對一組新的大鼠進(jìn)行了一項陽性對照實驗，以測試對多巴胺神經(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。將燈光與新的聽覺提示組合起來，產(chǎn)生相同的獎勵（“blocking”；例如，室內(nèi)光+白噪音?→?蔗糖顆粒，閃光?+?點擊?→?谷物顆粒；）。刺激多巴胺神經(jīng)元（1秒，20Hz），所有鼠都學(xué)會在視覺提示出現(xiàn)時進(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)測獎勵，并且多巴胺神經(jīng)元的刺激不會干擾鼠對食物預(yù)測線索做出反應(yīng)的能力。在沒有獎勵的情況下測試了對聽覺提示的反應(yīng)，看到鼠在食物區(qū)花費了更多的時間，然后測試了在沒有獎勵的情況下單獨對聽覺提示的反應(yīng)，以評估它們學(xué)到了多少知識（“探索測試”），結(jié)果發(fā)現(xiàn)鼠在食物區(qū)停留的時間更長。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)刺激會在不同的時間尺度上產(chǎn)生相同數(shù)量的動作電位，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)生前十個動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)量的動作電位，但50 Hz刺激參數(shù)產(chǎn)生的動作電位時間較短。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)動強化的能力的差異。接下來，檢測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，盡管動作電位總數(shù)相同，但50 Hz刺激引起的 VTADA細(xì)胞體中動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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