Дофаминовые подсистемы, отслеживающие внутренние состояния

Nature, том 608, страницы 374–380 (2022 г.) Процитировать эту статью

37 тысяч доступов

11 цитат

409 Альтметрика

Подробности о метриках

Еда и вода приносят пользу отчасти потому, что удовлетворяют наши внутренние потребности1,2. Дофаминергические нейроны в вентральной покрышке (VTA) активируются вкусовым вознаграждением3,4,5, но неизвестно, как животные учатся связывать эти оральные сигналы с отсроченными физиологическими эффектами приема пищи. Здесь мы показываем, что отдельные дофаминергические нейроны в ВТА реагируют на обнаружение питательных веществ или воды на определенных этапах приема пищи. Основная подгруппа дофаминергических нейронов отслеживает изменения системной гидратации, которые происходят через десятки минут после того, как испытывающие жажду мыши пьют воду, тогда как разные дофаминергические нейроны реагируют на питательные вещества в желудочно-кишечном тракте. Мы показываем, что информация о балансе жидкости передается в VTA по гипоталамическому пути, а затем перенаправляется в последующие цепи, которые отслеживают пероральную, желудочно-кишечную и постабсорбционную стадии приема пищи. Чтобы исследовать функцию этих сигналов, мы использовали парадигму, в которой пероральным и постабсорбционным эффектами жидкости можно манипулировать независимо и разделять их во времени. Мы показываем, что мыши быстро учатся предпочитать одну жидкость другой, основываясь исключительно на ее способности к регидратации, и что это постпищевое обучение предотвращается, если дофаминергические нейроны в VTA избирательно замолкают после употребления. Эти результаты показывают, что дофаминовая система среднего мозга содержит подсистемы, которые отслеживают различные модальности и стадии приема пищи во временных рамках от секунд до десятков минут, и что эта информация используется для изучения последствий приема пищи.

Животные должны сами решать, что им есть и пить. Это представляет собой проблему, поскольку пищевая ценность источника пищи может быть не очевидна по его внешнему виду, а последствия его употребления в пищу не проявляются сразу. Скорее, животные должны посредством пищевого опыта узнать ценность конкретных продуктов и жидкостей: стоят ли они усилий, чтобы их получить, и следует ли их употреблять, если они встречаются6,7,8. Например, многие животные получают большую часть воды из пищи9,10,11,12,13,14,15 и, следовательно, благодаря обратной связи после приема пищи узнают, какие источники пищи регидратируют.

Многие аспекты обучения вознаграждению задействуют дофаминергические (DA) нейроны вентральной покрышки VTA16,17,18,19,20,21 (нейроны VTA-DA). В ответ на вкус еды3,4 или воды4,5 нейроны VTA-DA выделяют выброс дофамина, который придает ценность соответствующим сигналам. Однако вкус еды и воды сам по себе является сигналом, который предсказывает последующее удовлетворение внутренней потребности (например, регидратация), и их ценность может меняться по мере того, как животные узнают о постглотательных эффектах конкретных продуктов и жидкостей1,8,22. Это поднимает вопрос о том, как внутренние питательные вещества и жидкости, которые являются окончательными подкреплениями поведения, сами представлены в дофаминовой системе и используются для стимулирования обучения.

Чтобы изучить, как нейроны DA реагируют на внутренние изменения баланса жидкости, мы зарегистрировали их активность до и после потребления воды. Мышей оборудовали для микроэндоскопической визуализации динамики кальция в нейронах VTA-DA (определяемой по экспрессии DAT-cre; рис. 1а), лишали воды на ночь, а затем давали неограниченный доступ к воде в течение 5 минут. Мыши жадно пили (расширенные данные, рис. 1j), и, как и ожидалось, многие DA-нейроны были временно активированы с привязкой по времени к лизанию4,5 (22%; расширенные данные, рис. 1b и таблицы расширенных данных 1 и 2). Однако мы также обнаружили неожиданную вторую волну активации DA-нейронов, которая возникла после задержки 10,1 ± 0,6 мин от начала питья (рис. 1b–e и расширенные данные, рис. 1c–i). Эта отсроченная активация задействовала множество DA-нейронов (39%), включала увеличение как базовой флуоресценции, так и фазовых всплесков и не была связана с облизыванием (пропала бутылка с водой). Вместо этого это отразило сообщаемый временной ход всасывания воды в кровь23,24,25,26, что позволяет предположить, что системная регидратация сама по себе вызывает задержку активации многих DA-нейронов.