文献概述：
本篇文献的主要研究内容是探讨中脑多巴胺神经元自体刺激的认知表征如何依赖于刺激频率。
研究团队通过实验发现，20赫兹的多巴胺神经元刺激，这种刺激频率接近生理学上相关的预测误差，不足以支持超过持续强化计划的颅内自我刺激（ICSS），并且不能赋予提示以一般或特定的价值。然而，50赫兹的多巴胺神经元刺激足以驱动强烈的ICSS，并且被表征为特定的奖励，以激发行为。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率（而不是动作电位的数量）不同，这会以不同的方式调节下游的多巴胺释放。
这项研究的结果对于理解多巴胺在奖励学习和决策中的作用具有重要意义，同时也为药物成瘾和神经精神疾病的研究提供了新的视角。
这篇题为：“Cognitive representations of intracranial self-stimulation of midbrain dopamine neurons depend on stimulation frequency”的研究成果于2024年5月13日发表于《Nature》上。
关键词：
中脑多巴胺神经元、脑内自我刺激、刺激频率
正文内容：
实验设计：
1. 实验对象：40只实验前未受训练的雄性和雌性Long-Evans大鼠，来自Charles River Laboratories。其中33只大鼠为携带TH依赖性Cre表达系统的转基因大鼠，最初由Rat Resource and Research Center提供，并在UCLA繁殖。
2. 手术程序：大鼠使用异氟烷（3%诱导，1-2%维持在1升/分钟氧气中）麻醉，并固定在立体定位仪中。大鼠接受了两次1.0 μl（每侧大脑半球2.0 μl）A-EF1α-DiO-ChR2-eYFP（E123T/T159C）病毒的双侧注射到VTA，坐标为AP，-5.3 mm；ML，±0.7 mm；DV，-6.5和-7.7 mm（雌性）或-7.0和-8.2 mm（雄性）。
3. 行为程序：包括巴甫洛夫到工具性转移（PIT）实验、阻断实验、贬值实验和脑内自我刺激（ICSS）实验。
4. 电生理程序：使用16通道微电极阵列和中央光纤植入大鼠VTA，以实现同时的刺激和记录。
5. 光纤光度学程序：使用商业可用的光纤光度学系统，测量NAc中多巴胺释放的变化。
6. 组织学程序：使用碳二氧化物处死大鼠，并使用磷酸盐缓冲液和4%多聚甲醛进行灌注。使用冰冻切片机收集冠状切片，并使用显微镜进行成像和可视化，以确认病毒表达和光纤尖端放置。
实验方法：
1. 行为和光纤光度学实验：大鼠使用碳二氧化物处死，并使用磷酸盐缓冲液和4%多聚甲醛进行灌注。使用冰冻切片机收集冠状切片，并使用显微镜进行成像和可视化，以确认病毒表达和光纤尖端放置。
2. 电生理实验：大鼠使用异氟烷麻醉，并通过每个微电极施加阳极电流（50 μA，4秒）来标记尖端位置。大鼠随后被灌注磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 7.4）和4%多聚甲醛。大脑然后在4°C的18%蔗糖溶液中过夜，直到大脑与蔗糖溶液的比重平衡。然后将VTA冠状切片为30 μm，以验证ChR2表达并定位每个微电极。
3. 免疫组织化学染色：处理实验动物的大脑组织，并用TH抗体进行染色。首先，将大脑组织切片（30 μm）收集到含有0.1 M PBS的井板中。然后，使用含有3%正常山羊血清和0.2% Triton X-100的1× PBS溶液进行阻断。接下来，将切片与TH抗体（Sigma-Aldrich，MO）一起孵育48小时，然后在室温下与山羊抗兔IgG Alexa Fluor 594（Thermo Fisher Scientific，MA）一起孵育2小时。最后，将切片安装在显微镜载玻片上，并在封片前用ProLong Gold试剂和DAPI进行染色。
实验材料：
1. 实验动物：实验使用了大约40只实验前未受训练的雄性和雌性Long-Evans大鼠，这些大鼠来自Charles River Laboratories。
2. 病毒载体：实验使用了携带ChR2（光敏感通道蛋白）的AAV病毒载体，用于特异性地激活或抑制中脑多巴胺神经元。
3. 手术设备：包括立体定位仪、显微镜、光纤等，用于在大鼠脑内植入光纤和电极。
4. 行为学实验设备：包括标准的行为箱、食物分配器、杠杆等，用于进行条件反射训练、操作性条件反射训练和自我刺激实验。
5. 电生理记录设备：包括微电极阵列、放大器、数字头戴式放大器等，用于记录大鼠脑内多巴胺神经元的电活动。
6. 光纤光度计：用于测量大鼠中脑腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元刺激后，在中脑腹侧核心区（NAc）释放的多巴胺水平。
7. 药理学试剂：如锂盐，用于药物去价值化实验。
8. 图像处理和数据分析软件：如Synapse、MATLAB、SPSS等，用于处理和分析实验数据。
实验结果：
1. 20赫兹（Hz）的刺激不足以支持持续强化的自我刺激（ICSS），并且不能赋予线索以一般或特定的价值。
2. 50赫兹（Hz）的刺激足以驱动强烈的ICSS，并且被表示为特定的奖励以激励行为。
3. 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率（而不是动作电位的数量），这不同程度地调节了下游的多巴胺释放。
4. 在学习过程中，中脑腹侧被盖区（VTA）的多巴胺神经元在发生意外时会展示一个短暂的预测误差信号。这个信号通常代表10到20赫兹的放电率。
5. 尽管许多研究已经证明了VTA多巴胺神经元的ICSS，但很少有研究调查这种刺激在大脑中的表征。
6. 实验表明，20赫兹的多巴胺刺激不能像自然奖励那样支持杠杆按压等工具性行为，也不能赋予线索以动机意义来支持PIT。
7. 50赫兹的多巴胺刺激能够支持在更严格的日程表上的强健工具性响应，并产生与食物奖励相当的特定PIT。
8. 实验还表明，50赫兹的多巴胺刺激在ICSS中产生的超生理感觉事件能够作为特定的奖励来激励行为，这超出了信号赋予先前线索以一般价值的作用。
总的来说，这项研究揭示了多巴胺神经元不同频率刺激对行为动机的影响，以及这些刺激在大脑中的认知表征。
结论
本研究深入探讨了中脑多巴胺神经元自体刺激的认知表征，并揭示了刺激频率对此表征的关键影响。研究结果显示，20赫兹的多巴胺神经元刺激虽能引发多巴胺释放，但并不足以维持持续的自体刺激，也无法赋予线索以一般或特定的价值。然而，50赫兹的多巴胺神经元刺激则足以驱动强烈的自体刺激，被视为一种特定的奖励，从而激发行为。这种频率依赖性效应是由于多巴胺神经元产生的动作电位速率（而非动作电位的数量）不同，进而以不同方式调节下游的多巴胺释放。
此外，研究还发现，在学习过程中，中脑腹侧多巴胺神经元（VTA-DA神经元）会短暂地展示预测误差信号，这种信号在出现意外情况时能够促进我们的学习。这种由VTA-DA神经元展示的信号非常短暂，通常代表10到20赫兹的放电率。尽管许多研究已经证明了VTA-DA神经元自体刺激的存在，但很少有研究调查这种刺激在大脑中的表征。
综上所述，本研究揭示了不同频率的多巴胺神经元刺激对行为动机的影响，以及中脑腹侧多巴胺神经元在学习过程中的作用。这些发现对于理解多巴胺在奖励学习和行为动机中的作用具有重要意义，并为未来的研究提供了新的方向。
原文：
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01643-1