Serotonin: Waiting but Not Rewarding



Yüklə 49,56 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix26.05.2018
ölçüsü49,56 Kb.
#46159


Dispatches

Serotonin: Waiting but Not Rewarding

A new study in mice demonstrates that stimulating dorsal raphe serotonin

boosts patient waiting but stimulation itself is not rewarding. Dorsal raphe

serotonin’s unique contribution provides a neural locus for impulsivity and

related failures of patience.

Michael A. McDannald

Stopping by the cafe´ on your way to

work you find an unusually long queue.

Today’s coffee is going to require more

than just a few dollars, it’s going to

require patience. Are you able to wait?

If yes, you may have your dorsal raphe

serotonergic neurons to thank. In this

issue of Current Biology, Fonseca,

Murakami and Mainen

[1]

report that



stimulating dorsal raphe serotonin in

mice boosts patient waiting for a

reward, even though this stimulation

itself is not rewarding.

There has been recent interest in

elucidating the role of dorsal raphe

serotonin in patience

[2]


and reward

[3]


.

This has been driven in part by

advances permitting the selective

excitation of serotonergic neurons in

awake-behaving mice

[4]


. It also

reflects an appreciation for the

long-standing role of serotonin as a

neuromodulator with widespread

projections to the midbrain, forebrain

and prefrontal cortices

[5]

. To date, the



precise role of dorsal raphe serotonin in

patience and reward has been unclear.

Single unit recording has demonstrated

signals for both patience

[6]

and reward



[7]

. One recent study

[2]

found


stimulation of dorsal raphe serotonin

neurons to selectively increase patient

waiting, while another

[3]


found it to be

intrinsically rewarding.

So is dorsal raphe serotonin critical

to waiting or is it a signal for reward?

In the laboratory, as in life, waiting

patiently to receive a reward is

intimately linked to the reward itself.

With this in mind Fonseca et al.

[1]

devised a series of tasks that



separately assessed the contribution of

dorsal raphe serotonin stimulation to

patience and reward. To do this, a

blue-light sensitive ion channel that

permits rapid neural excitation,

channelrhodopsin, was selectively

expressed in serotonergic neurons of

SERT-Cre (SERT) mice — in which

CRE recombinase is expressed under

control of the serotonin transport

(SERT) promoter — so that blue-light

simulation would rapidly excite dorsal

raphe serotonin neurons in the SERT,

but not wild-type, mice.

The first task for the mice examined

patient waiting using a particularly

elegant design. Mice were required

to hold in a waiting port until a tone

was delivered, at which time they

responded to a reward port below.

The wait time was adjusted so that

mice succeeded roughly half the time,

allowing for increases or decreases in

patient waiting to be observed. SERT

and wild-type mice were given trials in

which the amplitude and frequency

of blue-light stimulation were varied.

The results were clear: blue-light

stimulation during the waiting period

facilitated patient waiting in SERT mice,

but not wild-type mice, in a

dose-dependent manner. That is,

increasing amplitude and frequency of

blue-light, thereby increasing the firing

of dorsal raphe neurons, boosted

patient waiting. Analysis of other task

periods found this enhancement in

patient waiting was not simply due to

motor effects. Of course, this result

would also be expected if stimulation

of dorsal raphe serotonin was itself

rewarding.

To rule out this possibility, mice were

tested in two place-preference

procedures. The place-preference

apparatus was composed of two

distinct compartments: one was paired

with blue-light stimulation, while the

other was not. If stimulation of

serotonergic neurons was rewarding,

SERT mice should have come to

prefer the stimulated compartment.

When tested no such preference was

found. An identical result was obtained

when the place preference was

assessed in ‘real time’, meaning that

entering one compartment produced

serotonin stimulation whereas entering

the other compartment did not. The

choice of which compartment to enter

was indifferent to serotonin

stimulation.

OFC

mPFC


NAcc

VTA


DR

Non-serotonergic

(Reward)

Serotonergic

(Patience)

Current Biology

Figure 1. Separate dorsal raphe circuits for waiting and reward.

A sagittal view of the rodent brain is shown. Dorsal raphe (DR) serotonergic projections (red) to

the orbitofrontal cortex (OFC), medial prefrontal cortex (mPFC) and/or nucleus accumbens

(NAcc) are candidate brain regions to integrate the serotonin signal with patient waiting. Dorsal

raphe non-serotonergic projections (blue) to the ventral tegmental area (VTA) mediate reward.

Dispatch


R103


It is possible that dorsal raphe

serotonin is not rewarding outright,

but may serve to influence processing

of real-world rewards. To assess

this possibility, the mice performed a

task in which they chose to enter one

of two wells. Each well was associated

with different probabilities of reward

as well as different probabilities of

serotonin stimulation. These

probabilities were varied across

blocks’ allowing the authors to track

choice behavior as a function of

reward probability and/or stimulation

probability. Only reward probability

influenced choice behavior.

Dorsal raphe serotonin stimulation did

not bias choice behavior in any

direction.

Stimulation of dorsal raphe

serotonergic neurons that is sufficient

to boost patient waiting is insufficient

to be rewarding. The finding of a

selective role for serotonin in

boosting patience is strengthened

by recent findings that stimulation of

non-serotonergic dorsal raphe neurons

is rewarding

[8,9]

. Taken together,



the results suggest there are separate

circuits for patience and reward in

the dorsal raphe (

Figure 1


).

Non-serotonergic signals for reward

are mediated through projections to

ventral tegmental area

[8,9]

. Candidate



regions to implement serotonergic

signals for patience are the nucleus

accumbens, prefrontal and

orbitofrontal cortices

[10]

. These


regions are integral to goal-directed

actions


[11–13]

and receive strong

serotonergic input

[5]


.

The need for patience extends well

beyond getting your morning coffee.

An inability to exercise patience

(impulsivity) is a prominent component

of attention-deficit/hyperactivity

disorder and addiction

[14]


. By

identifying dorsal raphe serotonin

neurons as a central node, future

studies may rapidly identify a more

complete neural circuit for patient

waiting.


References

1. Fonseca, M.S., Murakami, M., and Mainen, Z.F.

(2015). Activation of dorsal raphe

serotonergic neurons promotes waiting

but is not reinforcing. Curr. Biol. 25,

306–315.


2. Miyazaki, K.W., Miyazaki, K., Tanaka, K.F.,

Yamanaka, A., Takahashi, A., Tabuchi, S., and

Doya, K. (2014). Optogenetic activation of

dorsal raphe serotonin neurons enhances

patience for future rewards. Curr. Biol. 24,

2033–2040.

3. Liu, Z., Zhou, J., Li, Y., Hu, F., Lu, Y., Ma, M.,

Feng, Q., Zhang, J.E., Wang, D., Zeng, J., et al.

(2014). Dorsal raphe neurons signal reward

through 5-HT and glutamate. Neuron 81,

1360–1374.

4. Zhuang, X., Masson, J., Gingrich, J.A., Rayport,

S., and Hen, R. (2005). Targeted gene

expression in dopamine and serotonin neurons

of the mouse brain. J. Neurosci. Meth. 143,

27–32.


5. Vertes, R.P., and Linley, S.B. (2007).

Comparison of projections of the dorsal and

median raphe nuclei, with some functional

considerations. In The Interdisciplinary

Conference on Tryptophan and Related

Substances: Chemistry, Biology, and Medicine.

Proceedings of the Eleventh Triennial Meeting

of International Study Group for Tryptophan

Research, Volume 1304. (Sanjyo-Kaikan

Conference Hall, The University of Tokyo), pp.

98-120.

6. Miyazaki, K., Miyazaki, K.W., and Doya, K.



(2011). Activation of dorsal raphe serotonin

neurons underlies waiting for delayed rewards.

J. Neurosci. 31, 469–479.

7. Nakamura, K., Matsumoto, M., and Hikosaka,

O. (2008). Reward-dependent modulation

of neuronal activity in the primate dorsal

raphe nucleus. J. Neurosci. 28,

5331–5343.

8. McDevitt, R.A., Tiran-Cappello, A., Shen, H.,

Balderas, I., Britt, J.P., Marino, R.A., Chung,

S.L., Richie, C.T., Harvey, B.K., and Bonci, A.

(2014). Serotonergic versus nonserotonergic

dorsal raphe projection neurons: differential

participation in reward circuitry. Cell Rep. 8,

1857–1869.

9. Qi, J., Zhang, S., Wang, H.L., Wang, H., de

Jesus Aceves Buendia, J., Hoffman, A.F.,

Lupica, C.R., Seal, R.P., and Morales, M. (2014).

A glutamatergic reward input from the dorsal

raphe to ventral tegmental area dopamine

neurons. Nat. Commun. 5, 5390.

10. Miyazaki, K., Miyazaki, K.W., and Doya, K.

(2012). The role of serotonin in the regulation of

patience and impulsivity. Mol. Neurobiol. 45,

213–224.

11. Gallagher, M., McMahan, R.W., and

Schoenbaum, G. (1999). Orbitofrontal cortex

and representation of incentive value in

associative learning. J. Neurosci. 19,

6610–6614.

12. Coutureau, E., and Killcross, S. (2003).

Inactivation of the infralimbic prefrontal cortex

reinstates goal-directed responding in

overtrained rats. Behav. Brain Res. 146,

167–174.

13. Corbit, L.H., and Balleine, B.W. (2011). The

general and outcome-specific forms of

pavlovian-instrumental transfer are

differentially mediated by the nucleus

accumbens core and shell. J. Neurosci. 31,

11786–11794.

14. Urcelay, G.P., and Dalley, J.W. (2012). Linking

ADHD, impulsivity, and drug abuse: a

neuropsychological perspective. Curr. Top.

Behav. Neurosci. 9, 173–197.

Department of Psychology, Boston College,

140 Commonwealth Avenue, Chestnut Hill,

MA 02467, USA.

E-mail:

michael.mcdannald@bc.edu



http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2014.12.019

Animal Navigation: Memories

of Home

Sea turtles memorize the magnetic coordinates of their natal beach, returning



to that combination of parameters to lay eggs decades later. The intervening

secular (year-to-year) variation in field intensity and inclination can lead the

nesting females to a series of predictably different beaches.

James L. Gould

Most long-distance migrants make

their initial journey from home flying or

swimming solo, often at night

[1]


. Many

return later to their natal area with

considerable precision. To accomplish

this feat, the young animal is

hypothesized to ‘imprint’ on the nest

site, storing navigational information

for later use. The subsequent return

must depend on some combination of

wide-area information and local cues.

The basis of the larger-scale ability is

that mystery of mysteries in animal

navigation, the map sense. In at least

the case of loggerhead sea turtles,

the global cues for homing after

displacement, as well as juvenile

orientation to the initial feeding area,

are unambiguously magnetic

[2,3]


. In

this issue of Current Biology, Brothers

and Lohmann

[4]


now show that the

return to the natal area is also based on

the precise intensity and inclination

of the magnetic field. Remarkably

enough, they demonstrated the reality

of this long-term navigational memory

without tracking a single turtle.

The initial proposal that the animal

map is based on magnetic parameters

arose from a series of anomalies in the

results of homing pigeon research

[5]


.

The earth’s magnetic field is aligned

with the magnetic poles. At present,

the magnetic north pole is displaced

by about 500 km from the geographic

North Pole. The total intensity of the

field increases by about a factor of two

from the magnetic equator to the poles.



Current Biology Vol 25 No 3

R104

Document Outline


Yüklə 49,56 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə