Creation and Promotion of the Will-Dynamics

金沢大学医薬保健研究域薬学系運動に対するモチベーションの形成・維持の仕組みを解明し、健康増進、脳機能の低下防止に貢献することを目的とする。そこで本研究では、マウスがランニング・ホイールを好んで回転させる特性に着目し、運動に対するモチベーションの形成、維持機構を細胞・シナプスレベルから動物個体レベルで明らかにすることを目指す。様々な実験手法を駆使して、特にモチベーションや学習に関連する脳部位におけるセロトニン（5-HT）神経伝達に焦点を当てて解析する。5-HTがどの脳部位の、どの細胞の活動・シナプス伝達をどのように調節することがモチベーションの形成・維持に重要であるのかを因果関係を含めて明らかにする。本研究では、マウスがランニング・ホイール（RW）を好んで回転させる特性に着目し、運動に対するモチベーションの形成、維持機構を細胞・シナプスレベルから動物個体レベルで明らかにすることを目指す。本年度は以下の成果を得た。昨年度の検討から、セロトニン（5-HT）の2Cおよび2Aアンタゴニスト全身投与によってRW回転数は減少し、一方、1Aアンタゴニストによって回転数が増加することを見出しており、また、これらの作用は運動機能全般の低下あるいは上昇によらないことを確認している。そこで本年度は，これらの受容体アンタゴニストのうち、2C受容体アンタゴニストの作用部位を検討した。RW回転に伴い側坐核（NAc）において神経活動が上昇することから、NAcに2C受容体アンタゴニストを局所投与したところ、運動機能に影響を与えることなく、RW回転数を減少させることを見出した。そこで次に、NAc神経細胞の活動を抑制性DREADDを用いて抑制したところ、RW回転数が減少する傾向が認められた。さらに、インビトロスライス標本においてNAc中型有棘細胞からホールセルパッチクランプ記録を行ったところ、2Cアゴニストのバス適用により、神経活動が上昇する傾向が観察された。また、RW回転を行ったマウスのNAcニューロンからホールセル記録を行ったところ、腹側被蓋野に投射すると考えられるニューロンにおいてシナプス可塑性が誘導される可能性を示すデータが得られた。以上の結果より、RW回転運動に対するモチベーションにはNAcでの5-HT遊離によるNAcニューロンの活性化、および、NAcニューロンの可塑的変化が関与することが示唆された。研究課題/領域番号:19H05013, 研究期間(年度):2019-04-01 – 2021-03-31出典：研究課題「運動に対するモチベーションの形成・維持の神経機構の解明」課題番号19H05013（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PUBLICLY-19H05013/）を加工して作

Elucidation of neural computation for prediction and decision making: toward better human understanding and applications

金沢大学医薬保健研究域薬学系本研究では、薬物依存研究で汎用される条件付け場所嗜好性試験（CPPテスト）に拘束ストレス負荷を組み合わせることで、動物（ラット）の薬物欲求行動にどのような影響を与えるのか、さらに、その脳内メカニズムがどのようなものかを明らかにすることを目的としている。昨年度の研究から、CPPテストのポストテストの直前に30分間の拘束ストレスを負荷すると、薬物欲求行動の指標であるCPPスコアは、非負荷群に比較して有意に増大すること、このCPPスコアの増大には青斑核から背外側被蓋核（LDT)へのα2およびβ受容体を介したノルアドレナリン作動性神経伝達、および、LDTから腹側被蓋野へのニコチン性およびムスカリン性アセチルコリン受容体を介したコリン作動性神経伝達が重要な役割を果たしていることを明らかにした。そこで本年度は、腹側被蓋野からの情報伝達がどこに、どのように伝えられることによってCPPの増大に寄与するのかを検討した。その結果、内側前頭前皮質でのD1受容体を介したドパミン神経伝達がCPPスコアの増大に関与していることが分かった。さらに、ノルアドレナリンによるLDTニューロンでの興奮性上昇のメカニズムをコカインあるいは生食投与後のスライスで調べたところ、生食投与群ではノルアドレナリンはIPSCに影響を与えなかったが、コカイン投与群ではIPSCを減弱させることが分かった。このIPSCの減弱は、プレシナプスのα2受容体を介したメカニズムによることも分かった。以上の結果は、ストレス負荷により遊離の亢進したノルアドレナリンがLDTコリン作動性ニューロンを脱抑制によって活性化し、それによって腹側被蓋野で遊離されたアセチルコリンがドパミンニューロンを、さらには、ドパミンによる内側前頭前皮質ニューロンの活性化を引き起こし、ストレスによる薬物欲求行動増大に至る可能性を示している。研究課題/領域番号:26120702, 研究期間(年度):2014-07-10 – 2016-03-3

Nitric oxide in the medial prefrontal cortex contributes to the acquisition of cocaine place preference and synaptic plasticity in the laterodorsal tegmental nucleus

金沢大学医薬保健研究域薬学系Nitric oxide (NO), a gaseous neurotransmitter, is involved in a variety of brain functions, including drug addiction. Although previous studies have suggested that NO plays an important role in the development of cocaine addiction, the brain region(s) in which NO acts and how it contributes to cocaine addiction remain unclear. In this study, we examined these issues using a cocaine-induced conditioned place preference (CPP) paradigm and ex vivo electrophysiological recordings in rats. Specifically, we focused on the medial prefrontal cortex (mPFC) and laterodorsal tegmental nucleus (LDT), brain regions associated with cocaine CPP development and cocaine-induced plasticity. Intra-mPFC injection of the non-selective NO synthase (NOS) inhibitor L-NAME or the neuronal NOS (nNOS) selective inhibitor L-NPA during the conditioning phase disrupted cocaine CPP. Additionally, intra-mPFC injection of L-NPA prior to each cocaine injection prevented the induction of presynaptic plasticity, induced by repeated cocaine administration, in LDT cholinergic neurons. These findings indicate that NO generated in the mPFC contributes to the acquisition of cocaine CPP and the induction of neuroplasticity in LDT cholinergic neurons. Together with previous studies showing that NO induces membrane plasticity in mPFC neurons, that mPFC neurons project to the LDT, and that LDT activity is critical for the acquisition of cocaine CPP, the present findings suggest that NO-mediated neuroplasticity induced in the mPFC-LDT circuitry is critical for the development of cocaine addiction. © 2017 Elsevier B.V.Embargo Period 12 month

Stress augments the rewarding memory of cocaine via the activation of brainstem-reward circuitry

金沢大学医薬保健研究域薬学系Effects of stress on the reward system are well established in the literature. Although previous studies have revealed that stress can reinstate extinguished addictive behaviors related to cocaine, the effects of stress on the rewarding memory of cocaine are not fully understood. Here, we provide evidence that stress potentiates the expression of rewarding memory of cocaine via the activation of brainstem-reward circuitry using a cocaine-induced conditioned place preference (CPP) paradigm combined with restraint stress in rats. The rats exposed to 30-minute restraint stress immediately before posttest exhibited significantly larger CPP scores compared with non-stressed rats. Intra-laterodorsal tegmental nucleus (LDT) microinjection of a β or α2 adrenoceptor antagonist attenuated the stress-induced enhancement of cocaine CPP. Consistent with this observation, intra-LDT microinjection of a β or α2 adrenoceptor agonist before posttest increased cocaine CPP. Additionally, intra-ventral tegmental area (VTA) microinjection of antagonists for the muscarinic acetylcholine, nicotinic acetylcholine or glutamate receptors attenuated the stress-induced enhancement of cocaine CPP. Finally, intra-medial prefrontal cortex (mPFC) microinjection of a D1 receptor antagonist also reduced the stress-induced enhancement of cocaine CPP. These findings suggest a mechanism wherein the LDT is activated by noradrenergic input from the locus coeruleus, leading to the activation of VTA dopamine neurons via both cholinergic and glutamatergic transmission and the subsequent excitation of the mPFC to enhance the memory of cocaine-induced reward value. © 2018 Society for the Study of Addiction.Embargo Period 12 month

Median raphe serotonergic neurons projecting to the interpeduncular nucleus control preference and aversion

不快感を誘発するセロトニン神経を発見 --セロトニン神経の多様性が明らかに--. 京都大学プレスリリース. 2022-12-23.Appropriate processing of reward and aversive information is essential for survival. Although a critical role of serotonergic neurons in the dorsal raphe nucleus (DRN) in reward processing has been shown, the lack of rewarding effects with selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs) implies the presence of a discrete serotonergic system playing an opposite role to the DRN in the processing of reward and aversive stimuli. Here, we demonstrated that serotonergic neurons in the median raphe nucleus (MRN) of mice process reward and aversive information in opposite directions to DRN serotonergic neurons. We further identified MRN serotonergic neurons, including those projecting to the interpeduncular nucleus (5-HTMRN→IPN), as a key mediator of reward and aversive stimuli. Moreover, 5-HT receptors, including 5-HT2A receptors in the interpeduncular nucleus, are involved in the aversive properties of MRN serotonergic neural activity. Our findings revealed an essential function of MRN serotonergic neurons, including 5-HTMRN→IPN, in the processing of reward and aversive stimuli

Selective Optical Control of Synaptic Transmission in the Subcortical Visual Pathway by Activation of Viral Vector-Expressed Halorhodopsin

The superficial layer of the superior colliculus (sSC) receives visual inputs via two different pathways: from the retina and the primary visual cortex. However, the functional significance of each input for the operation of the sSC circuit remains to be identified. As a first step toward understanding the functional role of each of these inputs, we developed an optogenetic method to specifically suppress the synaptic transmission in the retino-tectal pathway. We introduced enhanced halorhodopsin (eNpHR), a yellow light-sensitive, membrane-targeting chloride pump, into mouse retinal ganglion cells (RGCs) by intravitreously injecting an adeno-associated virus serotype-2 vector carrying the CMV-eNpHR-EYFP construct. Several weeks after the injection, whole-cell recordings made from sSC neurons in slice preparations revealed that yellow laser illumination of the eNpHR-expressing retino-tectal axons, putatively synapsing onto the recorded cells, effectively inhibited EPSCs evoked by electrical stimulation of the optic nerve layer. We also showed that sSC spike activities elicited by visual stimulation were significantly reduced by laser illumination of the sSC in anesthetized mice. These results indicate that photo-activation of eNpHR expressed in RGC axons enables selective blockade of retino-tectal synaptic transmission. The method established here can most likely be applied to a variety of brain regions for studying the function of individual inputs to these regions