Synaptic and Circuit Mechanism of Reward and Motivated Behavior in the Nucleus Accumbens = 보상 및 동기행동에 관여하는 측좌핵의 시냅스 및 회로 기반 기전 연구

국문 초록 (Abstract)

보상행동은 생존과 적응을 위해 진화적으로 보존되어 온 가장
근본적인 신경생물학적 메커니즘 중 하나로, 동기부여, 목표 지향적
행동 및 의사결정 과정을 뒷받침한다. 그러나 이러한 보상 회로는
다양한 정신질환에서 이중적으로 이상 조절되며, 과활성화될 경우
중독과 같은 병적 보상추구 행동을 유발하고, 저활성화될 경우
무쾌감증과 의욕저하 등 우울증의 핵심 증상으로 나타난다. 본 연구는
중독과 동기조절에서 핵심적인 역할을 하는 측좌핵(nucleus accumbens,
NAc)의 두 가지 주요 기전을 규명하는 데 목적이 있다.
첫째, 강력한 중추신경 자극제인 코카인 중독에서 TRPA1 이온
채널의 역할을 규명하였다. 기존 연구는 TRPA1이 통각과
말초신경계에서의 기능에 주로 초점을 맞췄으나, 최근 중추신경계
전반에 걸친 광범위한 발현과 신경활동 조절 가능성이 제시되고 있다.
본 연구에서는 TRPA1 채널이 코카인에 의한 흥분성 시냅스 전달 및
의존 형성 과정에 필수적인지를 전기생리학적 기법과 분자생물학적
기법을 통해 분석하였다. 실험 결과, TRPA1의 표적 억제를 통해
코카인에 의해 비정상적으로 증강된 NAc 신경세포의 흥분성 시냅스
전달(excitatory synaptic transmission)을 유의하게 억제하였다. 코카인에
의해 유도된 흥분성 신호전달의 증진이 TRPA1 의존적으로 조절됨을
확인하였다. 이러한 결과는 TRPA1이 흥분성 신경전달조절의 핵심분자
기전임을 시사하며, 특히 타입1 도파민 수용체를 발현하는 신경세포(D1-
MSNs)와 그 하위 신호전달 경로를 통해 작용하는 것으로 추정된다.
더불어 TRPA1이 코카인에 의한 시냅스 강도 증진(synaptic potentiation)을
매개하는 핵심 분자로서, 약물 중독 과정에서 나타나는 비정상적인
신경가소성 변화를 조절하는 중요한 역할을 수행함을 밝혔다. 또한,
TRPA1의 기능 저해는 코카인으로 유도된 흥분성 신경전달물질의
시냅스 전달 증가와 AMPA 수용체 조성 변화(특히 GluA2 결손
칼슘투과성 AMPAR의 증가)를 부분적으로 회복시켰으며, 이는 중독
관련 신경가소성 변화에 TRPA1이 기여함을 시사한다. 본 연구의
결과는 약물 중독의 신경생물학적 기반에 대한 새로운 통찰을 제공하며,
TRPA1이 코카인 중독의 치료를 위한 유망한 분자 표적임을 시사한다.
따라서 TRPA1은 약물중독의 신경생물학적 기반을 이해하고 새로운
치료 표적을 개발하는데 중요한 분자적 단서를 제공한다. 이러한
발견은 향후 TRPA1을 표적으로 하는 약물 중독 치료제 개발의 이론적
근거를 마련하며, 중독의 근본적인 신경회로 변화를 교정할 수 있는
새로운 치료 전략 수립에 기여할 것으로 기대된다.
둘째, NAc에서 아세틸콜린(acetylcholine)의 동기부여 조절 기전을
탐구하였다. 아세틸콜린은 NAc 내 극히 적은 수의 콜린성
인터뉴런(ChIs)에 의해 공급되며, 도파민 신호와 상호작용하여 보상
예측 단서에 대한 반응성을 동적으로 조절한다. 본 연구는 외인성
아세틸콜린 투여가 동기 기반 노력이 필요한 과제 수행에 미치는
영향과, 이러한 콜린성 신호가 시냅스 수준에서 중간가시
신경세포(MSNs)의 흥분성을 어떻게 변화시키는지 실험적으로
규명하였다. 실험 결과, 아세틸콜린 신호의 조절은 행동적 동기 수준과
밀접히 연관되며, 과도한 콜린성 활성화는 오히려 보상추구 행동을
억제할 수 있음을 확인하였다 (data not shown). 따라서 본 연구에서는
외인성 콜린성 자극이 유발하는 동기 행동의 신경학적 및 시냅스적
상관관계를 규명하고자, NAc MSNs에서 카바콜(CCh)과 McN-A343(선택적 M1 무스카린성 수용체 작용제)이 신경전달과 신경세포
활성에 미치는 영향을 전기생리학적으로 분석하였다. 실험 결과, CCh와
McN 처리 후 MSNs의 신경세포 흥분성이 유의미하게 증가하였으며,
억제성 시냅스후 전류(miniature inhibitory postsynaptic current, mIPSC)의
빈도는 유의하게 감소하였다. 또한 흥분성 시냅스후 전류의
쌍자극비율(excitatory postsynaptic current-paired-pulse ratio, EPSC-PPR)은
증가하였다. 이러한 결과는 콜린성 자극이 NAc 내 신경회로의 흥분억제 균형(excitation-inhibition balance)을 흥분성 쪽으로 이동시키면서도,
시냅스 전 글루타메이트 방출확률(presynaptic glutamate release
probability)을 낮추는 이중적인 효과를 나타냄을 시사한다. 구체적으로,
mIPSC 빈도의 감소는 억제성 시냅스 입력의 약화를, EPSC-PPR의
증가는 흥분성 시냅스전 방출 기능의 억제를 의미한다. 그럼에도
불구하고 전체적인 신경세포 흥분성이 증가한 것은 콜린성 신호가 주로
시냅스 후 메커니즘을 통해 MSNs의 내재적 흥분성(intrinsic excitability)을
직접적으로 강화함을 시사한다.
결론적으로 본 연구는 TRPA1 채널과 콜린성 신호가 중독 및
우울증과 같은 보상 회로 이상 조절 상태에서 중요한 역할을 함을
실험적으로 입증하였으며, 이는 향후 중독 및 동기부여 결핍 치료를
위한 새로운 분자표적 발굴과 치료 전략 개발에 기여할 수 있을 것으로
기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The neurobiological substrates underlying reward processing and motivational behavior constitute fundamental mechanisms for understanding the pathophysiology of substance use disorders and mood disorders. Despite their distinct clinical phenotypes, these conditions exhibit convergent neural circuitry and shared molecular signaling cascades. Within the reward circuit, the nucleus accumbens (NAc) serves as a critical computational hub that translates motivational salience into behavioral output. Through the integration of diverse neurotransmitter systems—including dopaminergic, glutamatergic, GABAergic, and cholinergic inputs—the NAc orchestrates reward-related behaviors and represents a key neuroanatomical locus implicated in psychiatric disorders characterized by dysregulated motivation and affective processing.

This dissertation elucidates two previously underexplored molecular mechanisms within the NAc that govern reward-related behavior: the role of the transient receptor potential ankyrin 1 (TRPA1) channel in substance uses disorders, and cholinergic signaling in depression-related motivational anhedonia.
In the context of substance use disorders, targeted knockdown of the cation channel TRPA1 within the NAc produced significant attenuation of cocaine-induced addictive behavior as long as cocaine-induced excitatory synaptic transmission. These findings implicate TRPA1 as a critical modulator of glutamatergic reward signaling, potentially through regulation of D1 dopamine receptor-expressing medium spiny neurons (MSNs) and their downstream effector pathways.

To investigate cholinergic regulation of motivational processes, intra-NAc micro-infusion of the non-selective acetylcholine receptor agonist carbachol resulted in decreased willingness to exert effort for high-value rewards, as quantified using a progressive ratio reinforcement schedule. Subsequent electrophysiological characterization revealed that this behavioral phenotype could be recapitulated through selective activation of M1 muscarinic receptors and was mediated by bidirectional modulation of excitatory and inhibitory synaptic transmission onto MSNs, thereby establishing a mechanistic framework for acetylcholine-induced suppression of motivational drive.

Collectively, these investigations reveal novel molecular determinants within NAc circuitry that regulate distinct dimensions of reward processing and motivational behavior. The identification of TRPA1 as a modulator of cocaine reward and cholinergic signaling as a regulator of effort-based motivation advances our mechanistic understanding of the neurobiological foundations of addiction and mood disorders, while simultaneously identifying promising therapeutic targets for pharmacological intervention. These findings highlight the functional heterogeneity of NAc microcircuits and demonstrate how discrete signaling pathways within a single brain region can contribute differentially to the spectrum of neuropsychiatric conditions characterized by dysregulated reward processing and motivational dysfunction.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• 1. Chapter I iv
• 2. Chapter II v
• List of Figures vi
• Abbreviations viii
• General Introduction 1
• 1. Reward Behavior and its dysregulation 1
• 1-1. Reward behavior 1
• 1-2. Bidirectional dysregulation 1
• 2. Reward Circuit Hyperactivation 2
• 2-1. Cocaine addiction 3
• 2-2. TRPA1 channels 4
• 3. Depression: Reward hypoactivation 5
• 3-1. Depression and motivational deficits 7
• 3-2. Acetylcholine and motivated behavior 8
• Purpose 11
• Chapter I. The role of the ion channel TRPA1 in the cocaine reward circuitry of the nucleus accumbens 12
• Abstract 13
• Introduction 14
• Material and Methods 16
• 1. Experimental Animals 16
• 2. Slice preparation 16
• 3. Whole-cell patch recordings 16
• 4. Flow cytometry 17
• 5. Fluorescence in situ hybridization (RNAscope) 18
• Statistical analysis 18
• Results 20
• TRPA1 in the NAc core and shell modulates cocaine-induced synaptic transmission in male and female mice 20
• TRPA1 expression does not vary by MSN subtype after exposure to cocaine 27
• D1R-MSN activity is essential for the impact of synaptic transmission in the NAc core 33
• TRPA1 KD enhances Ca2+-permeable AMPAR-mediated synaptic transmission 36
• TRPA1 KD does not affect pre-synaptic glutamate release 40
• Discussion 44
• Graphical Summary 48
• Chapter II. Exogenous acetylcholine changes neuronal and synaptic modulation in the nucleus accumbens 49
• Abstract 50
• Introduction 52
• Material and Methods 56
• 1. Animal 56
• 2. Slice preparation 56
• 3. Whole-cell patch recordings 56
• Statistical analysis 58
• Results 59
• Carbachol increases neuronal excitability of MSNs in the nucleus accumbens core 59
• Carbachol does not affect either E/I balance or excitatory synaptic transmission in the NAc core 61
• Prefrential muscarinic M1 receptor agonist and antagonist modulated inhibitory synaptic transmission 68
• Carbachol decreased the frequency of mIPSCs particulary in accumbal D1R-MSNs 72
• Discussion 75
• Graphical Summary 79
• References 80
• Abstract in Korean (국문 초록) 94