報酬誘発線条体ドーパミン放出の局所的・全体的な影響

Local and global consequences of reward-evoked striatal dopamine release.

• Nan Li
• Alan Jasanoff

抄録

神経伝達物質ドーパミンは、報酬刺激による行動の強化に必要な物質である。神経科学者はドーパミンの機能を簡潔な概念的用語で定義しようとしてきたが、ドーパミン放出の実際的な意味合いは、その多様な脳全体への影響に依存している。ドーパミンシグナルの分子的・細胞的効果は広く研究されているが、より大規模な神経活動プロファイルに対するドーパミンの効果はあまり理解されていない。ここでは、ダイナミックドーパミン感受性分子イメージングと機能的磁気共鳴イメージングを組み合わせて、線条体ドーパミン放出がラット脳における報酬刺激に対する局所的および全体的な反応をどのように形成しているかを明らかにする。線条体ドーパミンは、小領域によって異なるシナプス後シナプス効果を定量化することで、線条体の大部分にわたって刺激反応の持続時間を一貫して変化させるが、その大きさは変化させないことがわかった。線条体ドーパミン放出はまた、遠位反応のネットワークを増強し、神経化学的に依存する機能的接続性解析を用いて、そのネットワークを明らかにした。ドーパミン駆動のホットスポットには、大脳辺縁機能と運動機能の両方に関連する皮質領域が含まれていることが明らかになった。その結果、線条体ドーパミンの神経調節作用は、ピーク時の放出部位をはるかに超えており、動機づけられた行動の実行に必要な遠隔神経集団の活性化を高める結果となることが明らかになった。我々の知見はまた、ドーパミン機能の脳全体のバイオマーカーを示唆しており、学習や依存症に関連する神経画像診断結果の解釈を改善するための基礎を提供する可能性がある。

The neurotransmitter dopamine is required for the reinforcement of actions by rewarding stimuli. Neuroscientists have tried to define the functions of dopamine in concise conceptual terms, but the practical implications of dopamine release depend on its diverse brain-wide consequences. Although molecular and cellular effects of dopaminergic signalling have been extensively studied, the effects of dopamine on larger-scale neural activity profiles are less well-understood. Here we combine dynamic dopamine-sensitive molecular imaging and functional magnetic resonance imaging to determine how striatal dopamine release shapes local and global responses to rewarding stimulation in rat brains. We find that dopamine consistently alters the duration, but not the magnitude, of stimulus responses across much of the striatum, via quantifiable postsynaptic effects that vary across subregions. Striatal dopamine release also potentiates a network of distal responses, which we delineate using neurochemically dependent functional connectivity analyses. Hot spots of dopaminergic drive notably include cortical regions that are associated with both limbic and motor function. Our results reveal distinct neuromodulatory actions of striatal dopamine that extend well beyond its sites of peak release, and that result in enhanced activation of remote neural populations necessary for the performance of motivated actions. Our findings also suggest brain-wide biomarkers of dopaminergic function and could provide a basis for the improved interpretation of neuroimaging results that are relevant to learning and addiction.