Yes / Rationale: Dopamine dysregulation in the prefrontal cortex (PFC) plays an important role in cognitive dysfunction in schizophrenia. Sub-chronic phencyclidine (scPCP) treatment produces cognitive impairments in rodents and is a thoroughly validated animal model for cognitive deficits in schizophrenia. The aim of our study was to investigate the role of PFC dopamine in scPCP-induced deficits in a cognitive task of relevance to the disorder, novel object recognition (NOR). Methods: Twelve adult female Lister Hooded rats received scPCP (2 mg/kg) or vehicle via the intraperitoneal route twice daily for seven days, followed by seven days washout. In vivo microdialysis was carried out prior to, during and following the NOR task. Results: Vehicle rats successfully discriminated between novel and familiar objects and this was accompanied by a significant increase in dopamine in the PFC during the retention trial (P<0.01). scPCP produced a significant deficit in NOR (P<0.05 vs. control) and no PFC dopamine increase was observed. Conclusions: These data demonstrate an increase in dopamine during the retention trial in vehicle rats that was not observed in scPCP-treated rats accompanied by cognitive disruption in the scPCP group. This novel finding suggests a mechanism by which cognitive deficits are produced in this animal model and support its use for investigating disorders in which PFC dopamine is central to the pathophysiology.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(人間健康科学) / 甲第20294号 / 人健博第42号 / 新制||人健||4(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科人間健康科学系専攻 / (主査)教授 二木 淑子, 教授 精山 明敏, 教授 村井 俊哉 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human Health Sciences / Kyoto University / DFAM

Eine phasische Ausschüttung des Neurotransmitters Dopamin wird u.a. mit positivem Affekt, der Reaktivität auf Neuheit und kognitiver Handlungssteuerung in Verbindung gebracht. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde der dopaminerge Einfluss auf die Flexibilität und Stabilität der Handlungssteuerung untersucht. Für eine zielgerichtete Handlung sind beide antagonistischen Anforderungen notwendig. Einerseits müssen gewählte Handlungsabsichten gegenüber irrelevanten Ablenkungsreizen abgeschirmt und somit stabilisiert werden. Andererseits müssen diese Absichten im Falle handlungsrelevanter Änderungen der Situation flexibel angepasst werden. Als theoretische Grundlage für die vorliegende Arbeit dienten in diesem Zusammenhang folgende Kernthesen von Miller und Cohen (2001): (1) Der präfrontale Kortex (PFC) ist entscheidend an der Regulation der Handlungssteuerung beteiligt. (2) Eine phasische Dopaminausschüttung ermöglicht die Aufnahme neuer Reize im PFC und damit die Möglichkeit, gegebenenfalls aktuelle Regeln und Ziele zu ändern. (3) Eine phasische Dopaminausschüttung verschiebt demnach die Balance zwischen einer flexiblen und stabilen Handlungssteuerung in Richtung Flexibilität. In den ersten beiden Studien der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss interindividueller Unterschiede dopaminerger Aktivität auf die Flexibilität der Handlungssteuerung untersucht. Als Prädiktoren wurden die spontane Lidschlagrate (EBR), die Polymorphismen COMT Val-158-Met und DRD4 Exon III sowie das Geschlecht eingesetzt. In der dritten Studie sollte eine Dopaminausschüttung experimentell durch die Darbietung von Signalen einer potenziellen Belohnung (Geldgewinn) stimuliert werden. Hierdurch sollten die beobachteten Zusammenhänge aus den ersten beiden Studien erhärtet und in einem erweiterten theoretischen Kontext untersucht werden. In allen drei Studien zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang von Lidschlagrate und kognitiver Flexibilität (mittleres η²=8%). Entsprechend der Vorhersage wurde mit steigender Lidschlagrate eine erhöhte Flexibilität beobachtet. Ferner ergaben sich Interaktionseffekte zwischen EBR und DRD 4 Exon III Polymorphismus bzw. EBR und Geschlecht, sowie ein Geschlechtshaupteffekt. Zur Stabilität dieser Effekte konnte jedoch jeweils keine abschließende Aussage gemacht werden. In der dritten Studie zeigte sich bei Darbietung des Belohnungssignals eine erhöhte kognitive Stabilität (η²=7%). Dieser Zusammenhang wurde vom subjektiven Erlebens des Experiments moderiert (η²=11%): Personen, die den Eindruck hatten, ohne große Anstrengung viel zu gewinnen, zeigten eine erhöhte kognitive Flexibilität. Diese beiden Befunde können innerhalb einer integrativen Theorie von Cohen et al. (2004) plausibel erklärt werden. Der Belohnungs-Haupteffekt könnte auf die Dominanz eines (noradrenergen) Wirkungspfades im Kontext der Wettkampfsituation hinweisen. Der moderierende Effekt des subjektiven Erlebens könnte gemäß der oben erläuterten Kernthesen von Miller und Cohen (2001) als gleichzeitige Flexibilisierung über den dopaminergen Wirkungspfad interpretiert werden, die insbesondere bei geringer wahrgenommener Anstrengung dominieren kann. Als wichtigstes Ergebnis der vorliegenden Arbeit kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Hypothese einer dopaminergen Beeinflussung der Flexibilitäts-Stabilitäts-Balance der kognitiven Handlungssteuerung durch die Ergebnisse der drei Studien unterstützt werden konnte. Dabei erwies sich insbesondere die spontane Lidschlagrate als zuverlässiger non-invasiver und effizient zu erhebender Prädiktor dopaminerger Aktivität. Der flexibilisierende Einfluss von Dopamin kann von einem stabilisierenden Einfluss überlagert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine erforderliche Leistung zur Erreichung einer Belohnung als nützlich eingeschätzt und subjektiv als anstrengend wahrgenommen wird. / Converging evidence suggests a modulatory role of the neurotransmitter dopamine concerning reward, positive affect, novelty, and cognitive control. According to Miller and Cohen (2001) a phasic burst of dopamine shifts the balance between cognitive flexibility versus stability towards increased flexibility. Based on this assumption the current dissertation aimed at revealing associations between correlates of dopaminergic activity and the cognitive flexibility in an attentional set-shifting paradigm. In the first two studies we examined individual differences in the spontaneous eyeblink rate (EBR), the polymorphisms DRD4 exon III and COMT Val158Met polymorphism, as well as gender. In the third study we examined the impact of prospective monetary gains. Through this the findings of the first two studies should be validated and tested in an extended theoretical background. In all three studies an association between high EBR and increased cognitive flexibility was observed (mean η²=8%). Thus the main thesis of Miller and Cohen (2001) could be confirmed. Furthermore we observed interactions between EBR and DRD4 and EBR and gender, as well as a gender main effect on cognitive flexibility. In the third study we observed increased cognitive stability in the face of prospective gains (η²=7%). However, this effect was modulated by the subjective evaluation of the reward cues: participants who reported increasing their effort in response to reward cues showed increased cognitive stability whereas those who reported a positive and relaxed attitude towards the reward cues showed increased flexibility (η²=11%). The results thus suggest that the flexibility-stability-balance is modulated by the perceived effort needed to receive the potential reward.

Eine phasische Ausschüttung des Neurotransmitters Dopamin wird u.a. mit positivem Affekt, der Reaktivität auf Neuheit und kognitiver Handlungssteuerung in Verbindung gebracht. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde der dopaminerge Einfluss auf die Flexibilität und Stabilität der Handlungssteuerung untersucht. Für eine zielgerichtete Handlung sind beide antagonistischen Anforderungen notwendig. Einerseits müssen gewählte Handlungsabsichten gegenüber irrelevanten Ablenkungsreizen abgeschirmt und somit stabilisiert werden. Andererseits müssen diese Absichten im Falle handlungsrelevanter Änderungen der Situation flexibel angepasst werden. Als theoretische Grundlage für die vorliegende Arbeit dienten in diesem Zusammenhang folgende Kernthesen von Miller und Cohen (2001): (1) Der präfrontale Kortex (PFC) ist entscheidend an der Regulation der Handlungssteuerung beteiligt. (2) Eine phasische Dopaminausschüttung ermöglicht die Aufnahme neuer Reize im PFC und damit die Möglichkeit, gegebenenfalls aktuelle Regeln und Ziele zu ändern. (3) Eine phasische Dopaminausschüttung verschiebt demnach die Balance zwischen einer flexiblen und stabilen Handlungssteuerung in Richtung Flexibilität. In den ersten beiden Studien der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss interindividueller Unterschiede dopaminerger Aktivität auf die Flexibilität der Handlungssteuerung untersucht. Als Prädiktoren wurden die spontane Lidschlagrate (EBR), die Polymorphismen COMT Val-158-Met und DRD4 Exon III sowie das Geschlecht eingesetzt. In der dritten Studie sollte eine Dopaminausschüttung experimentell durch die Darbietung von Signalen einer potenziellen Belohnung (Geldgewinn) stimuliert werden. Hierdurch sollten die beobachteten Zusammenhänge aus den ersten beiden Studien erhärtet und in einem erweiterten theoretischen Kontext untersucht werden. In allen drei Studien zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang von Lidschlagrate und kognitiver Flexibilität (mittleres η²=8%). Entsprechend der Vorhersage wurde mit steigender Lidschlagrate eine erhöhte Flexibilität beobachtet. Ferner ergaben sich Interaktionseffekte zwischen EBR und DRD 4 Exon III Polymorphismus bzw. EBR und Geschlecht, sowie ein Geschlechtshaupteffekt. Zur Stabilität dieser Effekte konnte jedoch jeweils keine abschließende Aussage gemacht werden. In der dritten Studie zeigte sich bei Darbietung des Belohnungssignals eine erhöhte kognitive Stabilität (η²=7%). Dieser Zusammenhang wurde vom subjektiven Erlebens des Experiments moderiert (η²=11%): Personen, die den Eindruck hatten, ohne große Anstrengung viel zu gewinnen, zeigten eine erhöhte kognitive Flexibilität. Diese beiden Befunde können innerhalb einer integrativen Theorie von Cohen et al. (2004) plausibel erklärt werden. Der Belohnungs-Haupteffekt könnte auf die Dominanz eines (noradrenergen) Wirkungspfades im Kontext der Wettkampfsituation hinweisen. Der moderierende Effekt des subjektiven Erlebens könnte gemäß der oben erläuterten Kernthesen von Miller und Cohen (2001) als gleichzeitige Flexibilisierung über den dopaminergen Wirkungspfad interpretiert werden, die insbesondere bei geringer wahrgenommener Anstrengung dominieren kann. Als wichtigstes Ergebnis der vorliegenden Arbeit kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Hypothese einer dopaminergen Beeinflussung der Flexibilitäts-Stabilitäts-Balance der kognitiven Handlungssteuerung durch die Ergebnisse der drei Studien unterstützt werden konnte. Dabei erwies sich insbesondere die spontane Lidschlagrate als zuverlässiger non-invasiver und effizient zu erhebender Prädiktor dopaminerger Aktivität. Der flexibilisierende Einfluss von Dopamin kann von einem stabilisierenden Einfluss überlagert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine erforderliche Leistung zur Erreichung einer Belohnung als nützlich eingeschätzt und subjektiv als anstrengend wahrgenommen wird. / Converging evidence suggests a modulatory role of the neurotransmitter dopamine concerning reward, positive affect, novelty, and cognitive control. According to Miller and Cohen (2001) a phasic burst of dopamine shifts the balance between cognitive flexibility versus stability towards increased flexibility. Based on this assumption the current dissertation aimed at revealing associations between correlates of dopaminergic activity and the cognitive flexibility in an attentional set-shifting paradigm. In the first two studies we examined individual differences in the spontaneous eyeblink rate (EBR), the polymorphisms DRD4 exon III and COMT Val158Met polymorphism, as well as gender. In the third study we examined the impact of prospective monetary gains. Through this the findings of the first two studies should be validated and tested in an extended theoretical background. In all three studies an association between high EBR and increased cognitive flexibility was observed (mean η²=8%). Thus the main thesis of Miller and Cohen (2001) could be confirmed. Furthermore we observed interactions between EBR and DRD4 and EBR and gender, as well as a gender main effect on cognitive flexibility. In the third study we observed increased cognitive stability in the face of prospective gains (η²=7%). However, this effect was modulated by the subjective evaluation of the reward cues: participants who reported increasing their effort in response to reward cues showed increased cognitive stability whereas those who reported a positive and relaxed attitude towards the reward cues showed increased flexibility (η²=11%). The results thus suggest that the flexibility-stability-balance is modulated by the perceived effort needed to receive the potential reward.