中脳ドーパミン神経の脳内自己刺激の認知表現は刺激周波数に依存する

この論文レポートでは、中脳のドーパミン神経細胞の自己刺激(intracranial self-stimulation、ICSS)の認知表象に関する研究について報告されています。著者は、ラットがなぜICSSを得るために努力するのか、つまりドーパミン神経細胞の発火が脳内でどのように表象されているのかを解明しようとしました。

研究背景: ドーパミン神経細胞の発火は通常、報酬予測誤差信号と考えられ、学習過程で教師信号として機能すると言われています。しかし、この信号自体に価値表象がなければ、なぜラットはこの信号を得るために努力するのでしょうか。ICSSの認知表象の基礎については、これまで十分に検討されていませんでした。

著者: この研究は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)とニュージャージー州立大学の共同研究で行われました。第一著者はUCLAの心理学科に所属し、共同研究者はニュージャージー州立大学から参加しています。この研究は、Nature Neuroscience誌に掲載されています。

研究手順: 1) チャネルロドプシン2(ChR2)遺伝子をドーパミン神経細胞に導入し、光応答性を付与した。 2) ラットに2種類の異なる聴覚刺激が、砂糖水報酬またはドーパミン神経細胞への20Hz/50Hzの光刺激を引き起こすことを訓練した。 3) ラットにレバー押しで砂糖水報酬またはドーパミン神経細胞刺激を得るように訓練し、徐々に困難度を上げた。 4) Pavlovian-to-Instrumental Transfer(PIT)テストを行い、聴覚手がかりが対応するレバー押し行動を促進するかどうかを観察した。

主な発見: a) 20Hzの光刺激(生理的予測誤差信号を模倣)では、困難な状況下でラットがレバーを押し続けることはできず、対応する聴覚手がかりも特異的なPIT現象を引き起こさなかった。 b) 50Hzの非生理的高頻度光刺激は、ラットがレバーを押し続けることを促進し、特異的なPIT現象を引き起こした。つまり、具体的な報酬事象として符号化されていた。 c) 20Hzと50Hzの刺激でドーパミン神経細胞は同程度の活動電位を生じたが、50Hzではより密な短い発火パターンを示し、線条体でより多くのドーパミン遊離を引き起こした。

研究の意義: 1) 生理的予測誤差レベルのドーパミン神経細胞活動のみでは、報酬探索行動を維持するには不十分で、報酬事象として符号化されない。 2) 非生理的高頻度刺激は具体的な報酬事象として符号化され、依存症患者が薬物を追求する本質を反映している可能性がある。 3) ドーパミン遊離のパターン(ピークと持続時間)が、教師信号または報酬表象としての機能を決定する可能性がある。

この研究では、ICSSの認知表象メカニズム、ドーパミン神経細胞活動パターンとその機能役割の関連性が明らかにされました。これは、薬物依存症などの病理学的意義を理解する上で重要です。