Мотивация и орексиновые нейроны

Какова основная задача любого живого организма? Выживание и размножение для сохранения вида. Эта базовая мотивация является решающим фактором того, по какому пути идет эволюция того или иного вида. Эволюция нашего вида подарила нам весьма развитый интеллект, который сильно сместил приоритеты, управляющие поведением менее развитых организмов. Но понятие мотивации сохранилось. Любой тип добровольной деятельности подразумевает некое вознаграждение за выполнение определенных задач. Не всегда это нечто материальное, абстрактное вознаграждение также имеет вес. Но что именно мотивирует нас продолжать делать что-то, когда вознаграждение кажется все менее и менее вероятным? Короткий ответ — мозг ^[1]. Более длинный ответ нашли ученые из Нагойского университета (Япония). Они провели исследование, в ходе которого установили, что орексиновые нейроны могут активироваться/инактивироваться в зависимости от мотивационных нужд. Как именно работают эти нейроны, и что происходит при их полной блокировке? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Мотивация представляет собой психологический процесс, направляющий, инициирующий и поддерживающий поведение на основе желания, и является внутренней движущей силой человека, побуждающей его к достижению поставленных целей. Мотивационный процесс, направленный на достижение цели, имеет иерархическую организацию и включает когнитивную обработку, ожидание, прогнозирование и оценку. Нарушения мотивационного контроля наблюдаются при различных психических расстройствах. Сильная мотивация способствует более эффективной работе высших функций мозга ^[1], таких как формирование суждений и принятие решений, что может приводить к повышению эффективности деятельности, то есть к более выраженному мотивированному поведению. Поэтому усиление мотивации может способствовать разработке более эффективных способов адаптации к жизни в обществе с высоким уровнем стресса. Однако нейробиологические механизмы, лежащие в основе усиления мотивационного контроля, до сих пор изучены недостаточно.

Орексиновые (гипокретиновые) нейроны гипоталамуса выполняют множество физиологических функций, включая поддержание энергетического гомеостаза и регуляцию бодрствования. Орексины представлены двумя нейропептидами — орексином A и орексином B. Орексин A действует на рецепторы орексина 1-го типа (OX1R) и 2-го типа (OX2R). Для нормального поведения животным необходим оптимальный уровень бодрствования. Орексиновая система участвует в регуляции сложных форм поведения, включая мотивированное поведение и принятие решений, а нарушения ее функционирования могут приводить к различным нейропсихиатрическим патологиям.

Использование фотометрии и оптогенетических методов позволило значительно продвинуться в понимании того, как орексиновая система участвует в пищевом поведении, поведении, направленном на поиск и получение вознаграждения, а также в павловском обусловливании. Оптогенетическая стимуляция орексиновых нейронов повышает импульсивность, а генетическая инактивация передачи сигнала через OX2R в дофаминергических нейронах нарушает ингибиторный контроль. Связи между вентральной областью покрышки (VTA от ventral tegmental area) и латеральным гипоталамусом участвуют в мотивационных процессах, связанных с условными стимулами на ранних этапах обусловливания после павловского обучения. Поэтому орексиновые нейроны, вероятно, играют важную роль в связывании памяти о вознаграждении и текущего уровня бодрствования с мотивированным поведением. Недавно также было показано, что орексиновые нейроны опосредуют контекстно-зависимую оценку выбора «есть/бежать». Однако лишь немногие исследования связывали активность орексиновых нейронов с изменениями поведения посредством селективной активации или инактивации входов к орексиновым нейронам с точным временным контролем, согласованным с динамикой их активности.

Значительная часть перечисленных выше исследований проводилась с использованием генетических методов на мышах, но не на крысах, несмотря на то что крысы обладают более высокой способностью к обучению и поэтому лучше подходят для сложных поведенческих экспериментов, включая исследования мотивированного поведения. Кроме того, мыши и крысы имеют различающиеся поведенческие фенотипы. Поскольку мыши и крысы относятся к разным видам, экспериментальные данные, полученные на каждом из них, позволяют глубже понять функции генов и более надежно экстраполировать результаты исследований с животных на человека. Однако селективно воздействовать на активность определенных нейронов и регистрировать ее у крыс технически сложно. Поэтому ученые разработали трансгенных (Tg) крыс orexin-Cre с использованием бактериальной искусственной хромосомы (BAC от bacterial artificial chromosome).

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили роль орексиновых нейронов в мотивированном поведении у крыс. В качестве стимула, побуждающего к мотивированному поведению, использовали пищу. Цель исследования заключалась в том, чтобы выяснить динамику изменений активности орексиновых нейронов и ее значение в мотивационном процессе посредством селективного воздействия на эти нейроны с использованием хемогенетических и оптогенетических подходов.

Результаты исследования

Хемогенетическая активация орексиновых нейронов усиливает мотивацию к получению вознаграждения

Изображение №1

Сначала, исходя из выдвинутой гипотезы (1A), ученые исследовали, влияет ли клеточно-специфическое воздействие на орексиновые нейроны на мотивированное поведение крыс. Для этого использовали трансгенных крыс Long-Evans orexin-Cre BAC Tg (далее — крысы orexin-Cre), у которых в орексиновых нейронах гипоталамуса сверхэкспрессировали mCherry или человеческий мускариновый ацетилхолиновый рецептор hM3Dq, слитый с mCherry (hM3Dq-mCherry) (1B и 1C). Ранее ученые показали, что введение clozapine-N-oxide (CNO) увеличивает экспрессию c-Fos в орексиновых нейронах крыс со сверхэкспрессией hM3Dq, что свидетельствует об активации этих нейронов. Кроме того, доля клеток, экспрессирующих mCherry, среди орексиновых нейронов составляла 79.16% ± 3.69%. Таким образом, была подтверждена возможность специфически воздействовать на функцию орексиновых нейронов у крыс этой линии.

Согласно предыдущему исследованию, для оценки мотивации к получению вознаграждения использовали тест с прогрессивным соотношением (PR от progressive ratio). В этом тесте для получения одной гранулы корма постепенно увеличивается требуемое число активных касаний (1D). Введение CNO повышало предельный уровень усилий (breakpoint) у крыс orexin-Cre со сверхэкспрессией мутантного hM3Dq в гипоталамусе (1E). Однако у контрольных крыс, экспрессировавших mCherry, различий в предельном уровне усилий между группами с введением CNO и без него не наблюдалось. Таким образом, клеточно-специфическая возбуждающая активация орексиновых нейронов приводила к повышению мотивации к получению вознаграждения у крыс orexin-Cre.

Затем ученые исследовали мотивацию к получению вознаграждения при нарушении функции орексиновых нейронов с помощью дифтерийного токсина A (DTA от diphtheria toxin A). Такая модель воспроизводит нарколепсию 1-го типа, характеризующуюся дефицитом орексина. DTA экспрессировали в орексиновых нейронах с использованием системы Cre-Flip-excision (FLEX). Доля орексин-положительных клеток в гипоталамусе этих крыс снижалась (1F и 1G). Индуцированная DTA дегенерация орексиновых нейронов гипоталамуса приводила к снижению предельного уровня усилий (1H).

Одним из препаратов, применяемых для лечения нарколепсии, является метилфенидат. Ученые исследовали действие этого препарата у крыс, получавших DTA, рассматривая данную модель нарколепсии с точки зрения ее прогностической валидности в психофармакологии. Было установлено, что метилфенидат восстанавливал сниженный предельный уровень усилий у крыс, получавших DTA (1I), хотя не влиял на экспрессию орексина. Кроме того, ученые исследовали влияние антагонистов орексиновых рецепторов на мотивированное поведение. Антагонист OX1R SB-334867 снижал предельный уровень усилий (1J) и общее число касаний, но не число ответов, связанных с непосредственным стремлением к получению вознаграждения, в ходе PR-теста. Антагонист OX2R TCS-OX2-29, напротив, не оказывал такого эффекта (1K).

VTA является одной из ключевых областей системы вознаграждения и включает мезолимбические дофаминергические нейроны. Передача сигнала через OX1R в орексинергическом пути к VTA связана с мотивацией к употреблению кокаина, вызываемой условными сигналами. Ученые также исследовали влияние микроинъекций антагонистов непосредственно в VTA. Однако ни SB-334867, ни TCS-OX2-29 не влияли на суммарное число касаний или предельный уровень усилий.

Зависимость активности орексиновых нейронов от приложенных усилий

Изображение №2

Чтобы исследовать изменения активности орексиновых нейронов во время мотивированного поведения, ученые измеряли клеточно-специфический кальциевый (Ca²⁺) сигнал в орексиновых нейронах с помощью волоконной фотометрии. Ученые использовали крыс orexin-Cre, у которых в гипоталамусе экспрессировался GCaMP7 (2A и 2B), и проводили тест с фиксированным соотношением 5 (FR5 от fixed ratio 5), в котором для получения одного вознаграждения требовалось выполнить пять ответов (2C). Активность орексиновых нейронов повышалась только после пятого касания экрана и не изменялась после первого, второго, третьего или четвертого касания (2D). Более того, ее повышение начиналось еще до получения крысами вознаграждения, после чего активность постепенно снижалась (2E и 2G). Примечательно, что максимальная активность совпадала по времени с поведением, при котором крысы обращались к дозатору для получения вознаграждения. Ученые также исследовали влияние случайного непредоставления вознаграждения после пятого касания экрана, чтобы определить динамику активности орексиновых нейронов при ошибке предсказания вознаграждения.

Активность орексиновых нейронов была выше в пробах без вознаграждения, чем в пробах с вознаграждением (2H и 2I). Статистически значимые различия между двумя условиями наблюдались в интервале от 4 до 6.99 секунд. Затем ученые измерили активность орексиновых нейронов во время теста FR20, который является более сложным для получения вознаграждения, чем тест FR5, поскольку требует значительно большего числа ответов. Ранее было показано, что микроинъекция орексина A в латеральный гипоталамус повышает частоту ответов. Как и в условиях FR5 (2D), активность орексиновых нейронов преимущественно повышалась в ответ на сигнал, предъявляемый при последнем касании экрана. Хотя в некоторых пробах наблюдалось небольшое повышение активности, особенно при 19-м касании, на протяжении всей сессии отчетливой ступенчатой активации не выявлялось. Кроме того, в условиях FR20 активность орексиновых нейронов была выше, чем в условиях FR5 (2F и 2G). В отличие от крыс, экспрессировавших GCaMP, у контрольных крыс, экспрессировавших усиленный зеленый флуоресцентный белок (EGFP от enhanced green fluorescent protein) без Ca²⁺-сенсора, в условиях FR5 такого эффекта не наблюдалось.

Ученые также исследовали активность орексиновых нейронов у крыс, которые не проходили мотивационное обучение, во время тренировки методом автоформирования, при которой гранулы корма выдавались через регулярные интервалы. Изменений активности орексиновых нейронов не наблюдалось. Лишь при получении вознаграждения отмечалось небольшое повышение активности, при этом выраженного снижения активности ниже исходного уровня не выявлялось.

Чтобы более подробно исследовать динамику активности орексиновых нейронов во время мотивированного поведения, ученые использовали PR-тест. В ходе этого теста крысы иногда демонстрировали поведение, направленное на поиск вознаграждения, уже после нескольких касаний экрана, даже при отсутствии сигнала. Это позволило выделить два типа пиковых значений активности.

Первый тип анализировали после последнего активного касания из числа касаний, необходимых для получения вознаграждения в каждой пробе, то есть при поиске вознаграждения в ответ на сигнал. Второй тип определяли после неактивного касания — в тех случаях, когда крыса касалась экрана и сразу после этого обращались к дозатору за гранулой корма, хотя вознаграждение не предоставлялось, то есть при поиске вознаграждения без сигнала.

Активность орексиновых нейронов при последнем касании постепенно возрастала по мере увеличения требований в PR-тесте и была выше среднего пикового значения активности после неактивного касания (2J). В совокупности эти результаты показывают, что орексиновые нейроны активируются во время поведения, направленного на поиск вознаграждения, причем степень повышения их активности зависит от величины усилий, необходимых для его получения. При низком ожидании вознаграждения активность орексиновых нейронов была ниже.

Мотивированное поведение при подавлении активности орексиновых нейронов

Изображение №3

Чтобы определить, играют ли орексиновые нейроны причинную роль в мотивации к получению вознаграждения, ученые исследовали влияние их оптогенетического ингибирования на мотивированное поведение. Для этого использовали крыс orexin-Cre, у которых ингибирующий канальный родопсин (аденоассоциированный вирус [AAV]-цитомегаловирус [CMV]-FLEX-анионный канальный родопсин 2 [ACR2]) экспрессировался исключительно в орексиновых нейронах (3A и 3B). Как показано на 3B, приблизительно 85.36% идентифицированных орексиновых нейронов экспрессировали mCherry, а 86.17% идентифицированных mCherry-положительных клеток были положительными по орексину. Кроме того, ученые провели регистрацию токов методом локальной фиксации потенциала в орексиновых нейронах, экспрессировавших ACR2-mCherry. Стимуляция синим светом в течение 1.65 секунд снижала частоту импульсации и мембранный потенциал по сравнению с исходным состоянием, что подтвердило возможность подавления активности орексиновых нейронов с помощью использованного метода (3D). В совокупности эти результаты подтверждают, что разработанный подход позволяет точно контролировать активность орексиновых нейронов.

Затем ученые выполняли с крысами оперантные поведенческие задачи с использованием беспроводной системы оптогенетической стимуляции (3C). В латеральный гипоталамус имплантировали канюлю со светодиодом для воздействия на тела орексиновых нейронов (3A). Как показано на 2I, активность орексиновых нейронов изменялась в зависимости от того, было ли получено вознаграждение. Поэтому ученые сосредоточились на активности орексиновых нейронов непосредственно перед получением вознаграждения и проводили их оптогенетическое ингибирование в течение 1.65 секунд, начиная после последнего активного касания экрана, сопровождавшегося звуковым сигналом.

В ходе теста FR5 в 40 пробах оценивали суммарное число касаний экрана и число проб с увеличенной продолжительностью выполнения как показатели мотивационного поведения. К пробам с увеличенной продолжительностью относили те, время выполнения которых превышало среднее значение на два стандартных отклонения. В группе с включенным оптогенетическим воздействием (opto-on), то есть с ингибированием орексиновых нейронов, выполнение теста FR5 занимало значительно больше времени, а число проб с увеличенной продолжительностью было выше, чем в группе opto-off (3E). Однако в тесте FR1, который требует лишь минимальных усилий и обеспечивает легкий доступ к пище, такого эффекта не наблюдалось.

Для более детальной оценки влияния ингибирования орексиновых нейронов на поведение ученые использовали PR-тест. Как и ожидалось, стимуляция синим светом в течение 1.65 секунд, начинавшаяся после последнего касания экрана, сопровождавшегося сигналом, значительно снижала суммарное число касаний экрана и предельный уровень усилий (3F). Чтобы определить, влияет ли световая стимуляция на двигательную активность, ученые также измеряли время между касанием экрана и обращением к дозатору корма, а также число касаний экрана и таких обращений к дозатору. В ходе PR-теста световая стимуляция снижала общее число касаний экрана, но не число обращений к дозатору корма. В начале тестирования влияние на время между этими действиями отсутствовало, однако в течение всего периода тестирования наблюдалась небольшая тенденция к его увеличению. Важно, что при оптогенетическом ингибировании во время межпробного интервала не наблюдалось влияния ни на число касаний экрана, выполненных за 4 часа, ни на предельный уровень усилий (3G). Эти результаты показывают, что ингибирование активности орексиновых нейронов во время поиска вознаграждения, основанного на его ожидании, подавляет мотивированное поведение. Наконец, ученые оценили влияние фотостимуляции на пищевое поведение, однако какого-либо эффекта выявлено не было.

Влияние активация орексиновых нейронов на мотивированное поведение, вызываемое сигналом

Чтобы получить дополнительные подтверждения связи между активностью орексиновых нейронов и величиной требуемых усилий, ученые использовали канальный родопсин 2 (ChR2; AAV-eukaryotic translation elongation factor 1-alpha [EF1a]-FLEX-ChR2-mCherry), обеспечивающий специфическую экспрессию в орексиновых нейронах. Приблизительно 63.65% идентифицированных орексиновых нейронов экспрессировали mCherry, а 78.25% идентифицированных mCherry-положительных клеток были положительными по орексину. Стимуляция синим светом повышала экспрессию c-Fos. Несмотря на активацию орексиновых нейронов световой стимуляцией, ни в тесте FR5, ни в PR-тесте значимого повышения показателей мотивационного поведения не наблюдалось. Кроме того, стимуляция синим светом в течение 5 секунд после обращения к дозатору корма в тесте FR5, в течение 10 секунд после достижения предельного уровня усилий или в течение 7 секунд после активного касания экрана не влияла на суммарное число касаний экрана.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых ^[2] и дополнительные материалы ^[3] к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые попытались разобраться с механизмом реализации мотивации. В частности они изучили как орексиновые нейроны участвуют в мотивационных процессах.

Мотивация является одним из естественных двигателей, заставляющий нас выполнять те или иные действия в ожидании вознаграждения. Но что помогает нам продолжать выполнять действия, когда вознаграждение становиться все более и более отдаленным? Авторы рассмотренного нами сегодня исследования обнаружили, что орексиновые нейроны играют важную роль в поддержании и регуляции мотивированного поведения.

В ходе практических испытаний ученые задействовали крыс, которым предлагалось вознаграждение (гранулы корма) в ответ на касания к экрану. В большинстве предыдущих исследований этой области использовали мышей, однако крысы обладают более высокими способностями к обучению и часто лучше подходят для сложных поведенческих задач. При этом исследовать активность отдельных типов нейронов у крыс сложнее, поскольку на такие клетки труднее воздействовать избирательно. Ученые решили эту проблему, создав генетически модифицированных крыс orexin-Cre. Эта модель позволила селективно воздействовать на нейроны, вырабатывающие орексин, и изменять их активность.

Сначала ученые использовали хемогенетический метод для активации орексиновых нейронов. Затем крысы проходили тест с прогрессивным усложнением, в котором для получения каждой следующей пищевой гранулы требовалось совершать все больше касаний экрана. В качестве показателя силы мотивации использовали предельный уровень усилий — момент, после которого животное прекращало выполнять требуемые действия ради вознаграждения. У крыс с активированными орексиновыми нейронами этот показатель был выше: они были готовы выполнить больше действий для получения пищи. Обратная картина наблюдалась у крыс, у которых орексиновые нейроны были селективно повреждены. Их предельный уровень усилий снижался, что свидетельствовало об ослаблении мотивации.

Затем с помощью волоконной фотометрии исследователи отслеживали активность орексиновых нейронов в реальном времени, пока крысы ожидали и получали пищу. Активность нейронов возрастала в ожидании вознаграждения, а после получения пищи снижалась. Если ожидаемое вознаграждение не предоставлялось, активность орексиновых нейронов оставалась повышенной. Кроме того, реакция становилась сильнее по мере увеличения объема усилий, необходимых для получения пищи. По мнению исследователей, такая динамика может отражать механизм, с помощью которого мозг ^[1] связывает ожидание вознаграждения с усилиями, необходимыми для его достижения.

Чтобы определить, оказывают ли орексиновые нейроны непосредственное влияние на поведение, ученые применили оптогенетику и воздействовали на эти нейроны именно в тот момент, когда крысы ожидали вознаграждение. Когда активность орексиновых нейронов подавляли с помощью ингибирующего белка, животные демонстрировали менее выраженное мотивированное поведение. Им требовалось больше времени для выполнения задач, требующих усилий, а предельный уровень усилий снижался. Исследователи также попытались усилить активность орексиновых нейронов в тот же момент с помощью возбуждающего белка. Хотя стимуляция успешно активировала клетки, крысы не начинали работать интенсивнее и дальнейшего повышения мотивации не наблюдалось.

Полученные результаты показывают, что орексиновые нейроны необходимы для поддержания мотивированного поведения, однако дополнительное усиление их активности сверх нормального уровня само по себе, вероятно, недостаточно для дальнейшего повышения мотивации. Необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить причины такой асимметрии эффектов и определить, влияют ли на результат продолжительность и характер активности нейронов.

В дальнейших исследованиях ученые планируют изучить нейронные цепи, которые передают информацию орексиновым нейронам и получают от них сигналы. Более глубокое понимание работы этой системы в перспективе может способствовать разработке новых подходов к коррекции мотивационных нарушений.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99 ^[4], уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? ^[5] (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! ^[6] Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? ^[7]