В новом исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, ученые из Университета Алабамы в Бирмингеме и Национального института психического здоровья (NIMH) описывают, как две основные субпопуляции нейронов в части таламуса мозга, называемой паравентрикулярным ядром, участвуют в динамическом регулировании стремления к цели. Это исследование позволяет понять механизмы, с помощью которых мозг отслеживает мотивационные состояния для формирования инструментальных действий.
Для проведения исследования, мышей сначала обучали поведению, подобному поиску пищи, используя длинную, похожую на коридор клетку, в одном конце которой находилась зона запуска, а в другом - зона вознаграждения, удаленная друг от друга более чем на 4 фута.
Мыши учились ждать в триггерной зоне в течение двух секунд, пока звуковой сигнал не запускал их поведенческую задачу, подобную поиску пищи. Затем мышь могла двигаться вперед в своем собственном темпе к зоне вознаграждения, чтобы получить небольшой глоток Ensure со вкусом клубники. Чтобы завершить испытание, мыши должны были покинуть зону вознаграждения и вернуться в зону триггера, чтобы дождаться нового звукового сигнала. Мыши быстро учились и были очень увлечены, о чем свидетельствует выполнение большого количества испытаний во время обучения.
Затем исследователи использовали оптическую фотометрию и датчик кальция GCaMP для непрерывного мониторинга активности двух основных субпопуляций нейронов паравентрикулярного ядра, или PVT, во время перехода от триггерной зоны к зоне вознаграждения и во время прекращения испытания от зоны вознаграждения обратно к триггерной зоне после вкушения пищи. Эксперименты включают в себя введение оптического волокна в мозг как раз в районе PVT для измерения высвобождения кальция, - сигнала нейронной активности.
Две субпопуляции в паравентрикулярном ядре определяются по наличию или отсутствию дофаминового D2-рецептора, обозначаемого как PVTD2(+) или PVTD2(-) соответственно. Дофамин - это нейромедиатор, который позволяет нейронам общаться друг с другом.
"Мы обнаружили, что нейроны PVTD2(+) и PVTD2(-) кодируют выполнение и прекращение действий, ориентированных на достижение цели, соответственно", - говорит София Беас, Ph.D., доцент кафедры нейробиологии UAB и соавтор исследования. "Кроме того, активность в популяции нейронов PVTD2(+) отражала такие параметры мотивации, как энергичность и сытость".
В частности, нейроны PVTD2(+) проявляли повышенную активность во время приближения к вознаграждению и пониженную активность во время завершения испытания. И наоборот, нейроны PVTD2(-) демонстрировали пониженную активность во время подхода к вознаграждению и повышенную активность во время завершения испытания.
"Это новый опыт, потому что люди не знали о существовании разнообразия в нейронах PVT", - говорит Беас. Вопреки сложившемуся десятилетиями мнению о том, что PVT однородна, мы обнаружили, что, несмотря на то, что это один и тот же тип клеток (оба выделяют один и тот же нейротрансмиттер - глутамат), нейроны PVTD2(+) и PVTD2(-) выполняют совершенно разную работу". Кроме того, результаты нашего исследования очень важны, поскольку они помогают интерпретировать противоречивые и путаные данные в литературе относительно функции PVT".
Долгое время таламические области, такие как PVT, считались просто ретрансляционной станцией в мозге. Теперь исследователи понимают, что PVT обрабатывает информацию, переводя гипоталамические состояния потребности в мотивационные сигналы через проекции аксонов - включая аксоны PVTD2(+) и PVTD2(-) в ядро аккумбенса, или NAc. NAc играет важнейшую роль в обучении и осуществлении поведения, ориентированного на достижение цели. Аксон - это длинный кабель, отходящий от тела клетки нейрона и передающий сигнал от нейрона к другому нейрону.
Измеряя нейронную активность с помощью оптического волокна, вставленного в то место, где терминалы аксонов PVT достигают нейронов NAc, исследователи показали, что изменения в активности нейронов в PVT передаются в NAc. Динамика активности на терминалях PVT-NAc во многом повторяла динамику активности нейронов PVT - а именно, увеличение сигнала активности нейронов PVTD2(+) во время приближения вознаграждения и увеличение активности нейронов PVTD2(-) во время прекращения испытания.
"В совокупности наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что связанные с мотивацией особенности и кодирование целеустремленных действий задних нейронов PVTD2(+) и PVTD2(-) передаются в NAc через их соответствующие терминалы", - говорит Беас.
Во время каждого сеанса записи мыши исследователи регистрировали от восьми до десяти образцов данных в секунду, что позволило получить очень большой набор данных. Кроме того, подобные записи подвержены влиянию множества потенциально сбивающих с толку переменных. Поэтому анализ этих данных стал еще одним новым аспектом данного исследования благодаря использованию новой и надежной статистической системы на основе функционального линейного смешанного моделирования, которая учитывает изменчивость записей и позволяет исследовать взаимосвязь между изменениями сигналов фотометрии с течением времени и различными сопутствующими параметрами задачи вознаграждения, такими как скорость выполнения мышами испытания или влияние уровня голода животных на сигнал.
Одним из примеров того, как исследователи соотносили мотивацию с выполнением задания, было разделение времени выполнения испытаний на "быстрые" группы - две-три секунды до зоны вознаграждения от триггерной зоны, и "медленные" группы - девять-одиннадцать секунд до зоны вознаграждения.
"Наш анализ показал, что подход к вознаграждению был связан с более высокими темпами кальциевого сигнала в нейронах PVTD2(+) во время быстрых испытаний по сравнению с медленными. Более того, мы обнаружили корреляцию между сигналом и параметрами латентности и скорости. Важно отметить, что никаких изменений в активности задних PVTD2(+) нейронов не наблюдалось, когда мыши не участвовали в выполнении задания, как в случаях, когда мыши бродили по вольеру, но не выполняли активные задания. В целом, наши результаты свидетельствуют о том, что активность задних PVTD2(+) нейронов повышается во время поиска вознаграждения и зависит от мотивации".
Дефицит мотивации связан с такими психическими заболеваниями, как наркомания, переедание и неспособность испытывать удовольствие при депрессии. Более глубокое понимание нейронной основы мотивированного поведения может выявить конкретные нейронные пути, вовлеченные в мотивацию, и способы их взаимодействия. Это может привести к появлению новых терапевтических мишеней для восстановления здоровых мотивационных процессов у пациентов.
Университет Алабамы в Бирмингеме, Пер.: PSYCHOL-OK.RU
