顱內自身刺激實驗系統 (Intracranial self-stimulation，ICSS)已經成為越來越重要的評估實驗動物情緒狀態的一種實驗方法，腹側被蓋區的多巴胺神經元在ICSS中發揮作用，但這種現象背后的認知表征仍不清楚。

基于此，2024年5月13日加州大學Melissa J. Sharpe研究團隊在Nature neuroscience雜志發表了“Cognitive representations of intracranial self-stimulation of midbrain dopamine neurons depend on stimulation frequency”揭示了中腦多巴胺神經元顱內自身刺激的認知表征取決于刺激頻率。

在這里，研究者發現多巴胺神經元的20 Hz刺激不足以支持 ICSS超出持續強化的時間表，并且沒有賦予特定的價值。然而，多巴胺神經元的50 Hz 刺激足以驅動強大的 ICSS，并被視為激勵行為的特定獎勵。這種效應的頻率依賴性是由于多巴胺神經元產生的動作電位的速率（而不是數量）造成的。

圖一 50?Hz的超生理頻率支持強大的ICSS，并被編碼為特定的感覺事件

研究者首先將病毒雙側注入雄性的VTA中，將光纖雙側植入VTA并通過藍光傳遞（473nm，16mW，1s）刺激 VTADA神經元。兩種聽覺線索連接蔗糖顆粒或VTADA刺激，記錄動物運動活動和進入食品區的次數。兩種線索的運動活動在整個實驗中都有所增加，線索引起的運動活動程度沒有差異，組間的運動活動也沒有差異。20Hz和50Hz條件下的運動活動缺乏差異可能表明階段性多巴胺并不能決定分配給線索的動機活力。最后，飲食區的總體反應沒有組間差異。結果表明兩組的運動活動在學習這兩種線索時都有所增加，并且只有食物配對的線索才會促進進入食物區。

圖二 20Hz刺激多巴胺神經元作為教學信號來驅動感官特異性學習

接下來，研究人員想要探究對多巴胺神經元的20 Hz刺激是否有效。為此，對一組新的大鼠進行了一項陽性對照實驗，以測試對多巴胺神經元的20 Hz刺激是否可以充當產生學習的教學信號。將燈光與新的聽覺提示組合起來，產生相同的獎勵（“blocking”；例如，室內光+白噪音?→?蔗糖顆粒，閃光?+?點擊?→?谷物顆粒；）。刺激多巴胺神經元（1秒，20Hz），所有鼠都學會在視覺提示出現時進入端口，這不受引入聽覺提示或多巴胺刺激的影響，這表明所有鼠都知道視覺線索可以預測獎勵，并且多巴胺神經元的刺激不會干擾鼠對食物預測線索做出反應的能力。在沒有獎勵的情況下測試了對聽覺提示的反應，看到鼠在食物區花費了更多的時間，然后測試了在沒有獎勵的情況下單獨對聽覺提示的反應，以評估它們學到了多少知識（“探索測試”），結果發現鼠在食物區停留的時間更長。這些數據表明，20Hz和50 Hz刺激參數的差異效應是由于這些神經元放電頻率的變化，而不是由于這些不同的頻率作用于不同的多巴胺神經元群體。

圖三 20和50Hz的VTADA神經元的光遺傳學刺激會在不同的時間尺度上產生相同數量的動作電位，并在NAc中產生不同的多巴胺釋放

接下來將Cre依賴的ChR2病毒注入TH-Cre大鼠的VTA中，并在大鼠的 VTA 中植入光纖記錄多巴胺神經元。神經元的放電率在1秒刺激中總體上沒有明顯差異，刺激序列產生前十個動作電位的潛伏期也存在差異。與 20 Hz刺激相比，50 Hz導致前10個尖峰的延遲減少，這反映出50 Hz刺激早期的爆發性發射更大。這些數據表明，不同的刺激參數產生相似數量的動作電位，但50 Hz刺激參數產生的動作電位時間較短。正是較高的頻率（而不是較多的尖峰數量）產生了這些刺激參數驅動強化的能力的差異。接下來，檢測20 Hz和50 Hz刺激參數在下游多巴胺釋放方面有何不同。將ChR2病毒注入VTA，并將多巴胺sensor注入伏隔核。作者發現多巴胺神經元的50 Hz刺激導致多巴胺的釋放明顯更高。這表明，盡管動作電位總數相同，但50 Hz刺激引起的 VTADA細胞體中動作電位的更快速率與下游更多的多巴胺釋放相關。

總結：

這些數據表明，這種效應的頻率依賴性是由于多巴胺神經元產生的動作電位的速率（而不是數量）造成的，它以不同的方式調節下游的多巴胺釋放。

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