《Neuroscience Letters》：Medial prefrontal Cortex, dopamine and glutamate modulation in regulating Reward-Seeking and frustration responses
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本研究探讨中前额叶皮层（mPFC）中多巴胺D2受体与谷氨酸NMDA受体在奖励缺失条件下的作用，通过药物阻断发现D2受体主要调控奖励寻求行为持续性，而NMDA受体影响焦虑样情绪反应，揭示了mPFC中不同神经递质系统的分工机制。
Crysvane Araújo de Oliveira Lima | Polliany da Silva Mendon?a | Joelson Germano Crispin | Roger Luis da Silva | Ryan Cordeiro Silva | Lucas Felipe de Melo Alcantara | Filipe Silveira Duarte | Moacyr Jesus de Melo Rego | Maira Galdino da Rocha Pitta | Michelly Cristiny Pereira | Michelle Melgarejo da Rosa
治疗创新中心 - Suelly Galdino（NUPIT-SG），巴西累西腓
摘要
背景
行为通常会因奖励体验而得到强化，这些奖励促进了产生积极结果的行为，从而有助于适应性决策。然而，预期奖励的缺失可能会引发负面情绪反应，如沮丧和焦虑，可能导致适应不良的行为。了解大脑如何对奖励及其缺失作出反应是神经科学研究的重点之一，特别是关于关键回路中的神经递质系统如何处理未满足的期望。内侧前额叶皮层（mPFC）作为一个中枢整合枢纽，调节下游区域以处理奖励性和厌恶性结果。尽管已知多巴胺能指导奖励预测和适应性行为，但多巴胺能和谷氨酸能通路在mPFC中的具体作用仍不清楚。
方法： 在这项研究中，我们使用糖分寻找任务，探讨了mPFC以及mPFC内多巴胺D2受体和NMDA受体的不同作用对奖励寻求行为的影响。
结果： 我们的研究表明，当预期奖励被省略时，mPFC中的D2多巴胺受体和NMDA受体活性对于维持奖励寻求行为至关重要，这突显了多巴胺和谷氨酸在维持持续奖励行为中的作用。相反，仅阻断mPFC中的D2受体会影响线索-奖励寻求行为。而仅阻断mPFC中的NMDA受体或沉默mPFC会减少焦虑，这表明mPFC和谷氨酸信号在管理未满足期望的情绪反应中起着微妙的作用。
结论： 这些发现为mPFC中不同的神经递质系统以及mPFC本身如何影响奖励和奖励缺失后的行为和情绪调整提供了新的见解。
引言
奖励引导的学习取决于检测结果是否符合预期的能力。当预期的奖励被省略时，生物体必须以两种互补的方式调整其行为：(i) 在没有强化时调整奖励寻求的持续性；(ii) 管理由未满足的期望引起的负面情绪状态（通常称为沮丧）。尽管这两个过程紧密相关，但它们依赖于部分不同的神经和神经调节机制。已知边缘系统中的多个节点，包括杏仁核、室旁丘脑、外侧缰核和眶额叶皮层，能够编码负面预测错误并指导奖励缺失后的行为调整（Schoenbaum等人，2013年）。内侧前额叶皮层（mPFC）位于这些回路的中心，整合动机和情感信息，并对奖励导向的行为和情绪反应施加自上而下的控制（Moorman & Aston-Jones，2015年）。尽管有大量的解剖学和功能学证据，但mPFC内调节奖励缺失后行为持续性和类似沮丧反应的具体分子通路仍不明确。
多巴胺能和谷氨酸能信号是介导这些过程的强有力候选者。多巴胺，特别是通过mPFC中的D2受体活性，有助于评估负面预测错误并在强化减少时调节动机（Schultz，2016年；Salamone & Correa，2012年）。同时，NMDA受体介导的谷氨酸传递调节突触可塑性，并影响对奖励性和厌恶性结果的行为反应。然而，NMDA受体和D2受体在奖励缺失时对奖励寻求持续性和情绪沮丧的贡献尚未在mPFC内直接比较。
本研究旨在填补这一空白。通过使用一个区分奖励接收和奖励缺失的糖分寻找范式，我们研究了mPFC的药理失活——以及该区域内D2受体或NMDA受体的选择性阻断——如何影响（1）预期糖分被省略时的奖励寻求行为；（2）奖励缺失后出现的类似焦虑的行为。这一框架使我们能够测试mPFC中的多巴胺能和谷氨酸信号是否影响行为持续性、情绪结果或两者。
我们的发现表明，mPFC的活性、D2信号和NMDA信号各自以不同的方式影响奖励持续行为和随后的情绪状态。我们认为这些通路构成了mPFC对奖励缺失的更广泛神经反应中部分可分离的组成部分，为mPFC在预期奖励未能实现时如何整合动机和情感信号提供了新的见解。
意义声明
通过证明内侧前额叶皮层中的D2受体和NMDA受体活性能够维持奖励寻求行为并调节沮丧，这项工作阐明了皮质神经传递如何支持适应性行为。
材料与方法
药物和治疗方法
Muscimol、2-氨基-5-磷酰缬氨酸（APV）和eticlopride购自巴西Enterprise公司。这些药物溶解在pH值为7.4的磷酸盐缓冲液中。为了评估mPFC对奖励显著性的影响，将GABAA受体激动剂muscimol（0.11 nmol/0.2 μL）在1分钟内注入以失活该结构。Muscimol作为一种GABAA受体激动剂，可增强抑制性神经传递并导致局部神经元活动的短暂抑制。
动物
雄性Wistar大鼠（200–250克，4–5周龄）来自巴西UFPE大学生理学与药理学系的动物实验室。这些大鼠被安置在受控温度（24°C）下，具有12小时的光照/黑暗周期，并且可以自由获取食物和水。所有行为测试都在08:00 AM至4:00 PM之间进行，对应于12小时光照/黑暗周期的光照阶段。我们的测试时间在所有组之间保持一致，以确保可比性。
手术
在全身麻醉（使用ketamine 100 mg/kg和xylazine 20 mg/kg）下进行立体定向手术，通过腹腔注射植入mPFC导管。大鼠在立体定向装置（Insight Equipamentos LTDA，巴西）中单独固定。然后在头部头部表面皮下注射含2%血管收缩剂的利多卡因以提供局部麻醉并减少血液流动。接着在覆盖头骨的皮肤上做一个切口...
奖励缺失协议
手术后恢复七天，大鼠接受为期3天的训练，通过按压杠杆来获取糖粒作为奖励。奖励的可用性由杠杆上方的光信号（30秒）指示。在信号呈现期间每次按压都会向附近的盘子中释放一个糖粒。大鼠学会了将信号与奖励（糖）的存在联系起来。试验持续30分钟，试验间隔（ITI）为20–90秒，以防止习惯化。
开放场测试
在奖励缺失协议之后，通过在开放场测试中评估动物的行为反应。大鼠被单独放置在圆形开放场中心的自由探索区域5分钟。该装置由直径为90厘米的木箱组成。圆形开放场被虚拟划分为12个相等的径向区域。所有爪子穿过的径向区域数量（crossings）、站立事件的数量...
高架十字迷宫测试（EPM）
在开放场测试之后，使用高架十字迷宫（EPM）测试大鼠的抗焦虑反应。EPM由两个相对的开放臂（50 x 10厘米）和两个相同尺寸的封闭臂组成，封闭臂的高度为40厘米。两个臂通过一个中央方形（10 x 10厘米）连接，整个迷宫高出地面50厘米。大鼠被单独放置在装置的中心，面对一个开放臂，并允许其自由探索5分钟。
社会互动测试
在EPM测试之后，对大鼠进行社会互动测试以评估其社会行为。使用一只不熟悉的同种大鼠作为社会刺激。这只刺激大鼠与实验对象具有相同的品系（Wistar）、年龄和性别（雄性），以确保社会新颖性和互动的一致性。每只不熟悉的大鼠每次测试只使用一次，以防止习惯化。
内侧前额叶皮层对糖分寻求行为中的奖励和奖励缺失的调节
首先，我们评估了预期奖励的缺失是否增强了糖分寻求行为，如先前通过每只大鼠的杠杆按压次数所报告的。双向ANOVA显示，奖励组与奖励缺失组之间存在显著差异（F (1,45) = 15.46, p = 0.0003，图1）。未收到预期奖励的大鼠表现出更多的糖分寻求行为，表现为比收到糖作为正奖励的大鼠更多的杠杆按压次数...
通过NMDA信号和D2信号的多巴胺能调节mPFC中的奖励和奖励缺失行为
为了进一步明确mPFC内多巴胺能或谷氨酸能信号的贡献，我们向mPFC注射了多巴胺D2受体拮抗剂eticlopride或NMDA受体拮抗剂APV。Eticlopride显著减少了奖励条件（p = 0.0241）和奖励缺失条件（p < 0.0001）下的糖分寻求行为（图1）。相反，APV的给药在选择性减少奖励缺失期间的杠杆按压次数（p = 0.0278），但在奖励期间没有显著效果...
内侧前额叶皮层，谷氨酸信号调节由奖励缺失引起的焦虑行为
在糖分寻求测试之后，立即将大鼠放置在一个开放场中，以评估运动、探索行为和焦虑反应。在比较药物组和奖励组时，未观察到差异（图2A）（F(3,45) = 1.728, P = 0.1747）。双向ANOVA显示，在对照组动物暴露于奖励或奖励缺失时，对站立反应存在显著差异（F (3, 45) = 4.659; p < 0.0064）...
讨论
在这项研究中，我们探讨了mPFC及其多巴胺能和谷氨酸信号是否在奖励存在和奖励缺失条件下调节奖励寻求行为。尽管已知mPFC回路会影响奖励处理（Starkweather等人，2018年；[10]），但其参与对缺失奖励反应的机制仍不太清楚。
与先前的研究一致，暴露于意外奖励缺失的大鼠表现出显著的杠杆按压增加...
mPFC中的D2受体多巴胺能信号对奖励显著性的调节
在这项研究中，我们观察到抑制mPFC中的D2受体减少了奖励组和未奖励组的奖励寻求反应，这与整体mPFC阻断的效果一致。这些发现与多巴胺在调节奖励处理中的作用相符，特别是通过中脑边缘通路，其中来自VTA到mPFC的多巴胺能信号对于强化奖励驱动的行为和管理奖励预期至关重要...
mPFC中的NMDAR谷氨酸信号和奖励缺失时的情绪调节
在NMDA受体阻断后观察到的糖分寻求行为减少，但在奖励组中没有这种减少，这突出了NMDA受体对奖励反应的独特作用。mPFC的谷氨酸投射可能作为一种自上而下的调节信号，塑造奖励评估和预测误差的更新。当它们完好无损时，它们允许大脑对奖励相关线索进行情境化处理，并防止对原始感官输入的过度加权。
结论
总之，这项研究表明mPFC内的神经化学信号对于调节对奖励结果的动机和情绪反应至关重要。我们发现D2多巴胺受体和NMDA谷氨酸受体独立调节与奖励相关的行为，两者都在预期结果缺失时有助于奖励的持续性。虽然mPFC沉默和D2受体阻断会损害线索-奖励寻求，但mPFC沉默和NMDA受体阻断减少了类似焦虑的行为...
未引用的参考文献
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CRediT作者贡献声明
Crysvane Araújo de Oliveira Lima： 方法学，数据管理。
Polliany da Silva Mendon?a： 方法学，数据管理。
Joelson Germano Crispin： 方法学，数据管理。
Roger Luis da Silva： 方法学，数据管理。
Ryan Cordeiro Silva： 方法学，数据管理。
Lucas Felipe de Melo Alcantara： 方法学，数据管理。
Filipe Silveira Duarte： 资源管理。
Moacyr Jesus de Melo Rego： 资源管理。
Maira Galdino da Rocha Pitta： 资源管理。
Michelly Cristiny Pereira： 写作 – 审稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项研究由佩尔南布科州科学技术基金会（FACEPE）资助，授予编号为APQ 2021 (APQ-0628-2.10/21)的资助。
