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Publicação
Investigating the role of anterior ventro-lateral striatum direct pathway neurons in instrumental licking behaviour of mice using optogenetics in an operant behavioural task
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
O movimento permite ao indivíduo interagir e reagir ao ambiente envolvente: desde cílios em
bactérias, aos estomas em plantas, e finalmente, redes neurais complexas em animais. Durante o
processo evolutivo, o desenvolvimento de um sistema nervoso central - um avanço significativo
desde a rede neural difusa nos cnidários - serviu não apenas para integrar informação recolhida
por órgãos sensoriais cada vez mais sofisticados, mas também para gerar comportamentos
complexos que permitissem uma vantagem adaptativa ao indivíduo.
No seu dia a dia um animal depara-se com numerosas situações, por vezes repetidas, e noutras
inesperadas, pelo que a capacidade de aprendizagem de comportamentos distintos é vantajosa
para a sua sobrevivência. Adquirir e aprender estas acções intencionais é conseguido através da
integração de circuitos sensoriais e motores que permitem a modulação e evolução dinâmicas
dessas acções, com base nas suas consequências (rácio custo-benefício). Após a exposição e
prática repetidas deste processo de aprendizagem, o resultado obtido é a criação de repertórios de
acções que serão depois usadas no desempenho da tomada de decisões: a selecção da acção. Ao
seleccionar uma acção, para qualquer circunstância e dentro de certos contextos, este repertório
de informação é utilizado para salientar a acção a executar mais apropriada de uma variedade de
alternativas possíveis. Contudo, uma mesma acção pode ter diferentes resultados a si associados,
e recompensas com diferentes valores, dependendo do contexto em que é aplicada. Daí, a
capacidade de reconhecer contextos diferentes é fundamental para a implementação de
comportamentos bem sucedidos. Pensa-se que esta contextualização é levada a cabo por áreas do
cérebro tais como o hipocampo e o córtex orbitofrontal, assim como por outros circuitos presentes
nos gânglios da base.
Ainda assim, aprender e seleccionar as acções apropriadas para determinados contextos são
apenas os primeiros passos na produção motora. É necessário que o sistema nervoso central opere
de modo a implementar as acções selecionadas - a execução da acção - através de padrões de
contracção muscular específicos, e com precisão temporal e espacial. A produção de movimento
é obtida através da ligação de sequências (chunks (pedaços) ou “frases”) de elementos de
movimentos mais simples (primitivas motoras ou “sílabas”), de modo a atingir um programa
motor unificado - uma acção - e a executar uma tarefa. Pensa-se que diferentes circuitos e grupos
de células estarão implicados nas diferentes fases da produção de um movimento.
Os gânglios da base são um grupo de estruturas que estabelecem ligações com áreas que incluem
o córtex, o tálamo e outras regiões motoras descendentes, e desempenham um papel na acção da
selecção e na produção motora. Estas estruturas, que se localizam abaixo do córtex, são
conservadas em todos os vertebrados e têm uma posição privilegiada para integrar informação e
de seguida a retransmitir para vias motoras descendentes. Os gânglios da base estão organizados
em áreas diferentes que possuem entradas e saídas axoniais distintas, assim como padrões de
expressão génica específicos (ex. receptores dopaminérgicos D1/D2) - que permitem a integração
e o processamento de informação relevante necessária à selecção e execução de movimentos
específicos. No estriado - a mais proeminente estrutura nos gânglios da base - as vias estriadonigral e estriado-palidal trabalham em conjunto para, respectivamente, facilitar ou suprimir uma
acção com base no contexto e aprendizagens passadas. Em específico, a região anterior do
estriado ventro-lateral (aVLS) foi implicada no controlo do movimento orofacial. O modo como
este controlo é obtido e qual é o papel das vias estriado-nigral e estriado-palidal no movimento
orofacial voluntário é ainda pouco compreendido. Neste estudo, investigámos como os inputs estriatais na substância nigra pars reticulata (via
estriado-nigral) afectam o movimento orofacial em murganhos com recurso à técnica de
manipulação optogenética e utilizando uma tarefa comportamental operante de cabeça fixa
dependente do olfacto.
A técnica utilizada, desenvolvida por Karl Deisseroth por volta do ano 2005, permite manipular
alvos com especificidade ao nível celular - quer em tecido como em animais vivos - e controlar a
actividade eléctrica celular com precisão espaço-temporal. A utilização deste procedimento em
neurociência significa que é possível despolarizar ou hiperpolarizar um conjunto de neurónios
específicos, numa determinada localização do cérebro, com grande precisão temporal, e em
circuitos neurais intactos de animais vivos e com comportamento livre.
Para a aplicação da técnica de neuromodulação optogenética, injectámos bilateralmente 8
murganhos da linha transgénica D1-Cre com um vector viral para a expressão de uma opsina na
região aVLS, e de seguida implantámos fibras ópticas no mesmo local. Depois, os animais foram
treinados na tarefa comportamental, em 4 ensaios, nos quais aprenderam a associar 4 odores
diferentes com as suas respectivas consequências: a) o odor “go”, associado à acção de lamber
para receber uma recompensa, b) o odor “nogo” associado à supressão da acção de lamber para
evitar uma punição, c) o odor “wait” associado à supressão da acção de lamber para receber uma
recompensa mais atrasada e d) o odor “neutral”, ao qual não foi associada nenhuma consequência,
independentemente do comportamento do animal. Após 25-45 sessões de treino para
aprendizagem dos 4 tipos de ensaio, os animais foram submetidos a manipulação optogenética
com diferentes frequências de estimulação (2Hz, 5HZ e 10Hz) e foi medida a frequência de
lambidelas (protrusões de língua).
Confirmámos que a estimulação optogenética das populações estriado-nigrais desta área do
estriado provocam movimentos orofaciais. Verificámos que a estimulação nas várias frequências
utilizadas tem maior efeito na iniciação da acção de lamber, e não tanto no prolongamento da
acção. Vimos também que, para a frequência de estimulação de 10Hz, o animal lambe para beber
água em todos os ensaios, mesmo naqueles em que aprendeu a reprimir o comportamento de
lamber. Para o ensaio “go”, foi observado que a estimulação das células estriado-nigrais reduz a
velocidade de reacção e aumenta o comportamento antecipatório dos murganhos. Mais ainda, foi
detectada uma diferença entre os ensaios “nogo” e “wait” - nos quais o animal aprende a reprimir
a acção de lamber -sendo que para os ensaios “nogo” é necessária uma frequência de estimulação
mais elevada para despoletar a iniciação da acção (10Hz) enquanto que no ensaio “wait” as
frequências de 2Hz e 5Hz foram suficientes para aumentar a iniciação da acção.
Em suma, a modulação optogenética da população neural estriado-nigral da região aVLS
conduziu à produção de movimento orofacial em murganhos, de um modo que é dependente da
fase de execução movimento e do contexto em que a acção é aplicada.
Sendo que há muito ainda desconhecido sobre a anatomia dos circuitos dos gânglios da base e a
sua respectiva funcionalidade, mais estudos serão necessários para compreender a conectividade
entre estes diferentes núcleos cerebrais, e o seu papel na selecção de acções, aprendizagem,
contextualização e função motora. Uma vez que neste estudo mostrámos que este circuito pode
ser modulado por contextos aprendidos, seria interessante estudar a actividade desta população
ao longo do processo de aprendizagem de uma tarefa, e compreender se esta população neuronal
- que parece estar implicada na iniciação de uma acção - estará mais activa numa fase mais cedo da aprendizagem. Este estudo teve como foco a produção de movimentos orofaciais. Porém, é
possível que outros movimentos paralelos estejam a ser produzidos durante a estimulação
optogenética desta região, tanto a nível corporal como a nível facial, pelo que se poderia investigar
esta possibilidade para, potencialmente, compreender se existe um gradiente de funcionalidade
motora nestas regiões, e os seus movimentos distintos associados.
The production of coordinated movements requires the synchronised activity of multiple neuronal networks that are distributed in different brain regions. In particular, the basal ganglia plays a critical role in deciding what action is selected in a given context, based on previous learned behaviour and on the sensorial information available. These domains are organised in functionally specialised basal ganglia areas with distinct axonal inputs and outputs, as well as specific gene expression patterns (e.g. D1/D2 dopamine receptor), - thus allowing to anatomically integrate and process the relevant information required to select and execute specific movements. Recently, the functional and anatomical connectivity of basal ganglia has started to be investigated in a systematic manner. In the striatum - the most prominent structure in basal ganglia - striatonigral and striatopallidal pathways work together to facilitate or suppress an action based on past learning and present context. Therefore, the plasticity needed to generate a wide range of adaptive behaviours arises from dopaminergic neuromodulation of simultaneous activation or suppression of a combination of striatal circuits. By carefully dissecting this circuit board, we can begin to identify key clinically interventionable circuit nodes that go awry and give rise to maladaptive states like those observed in Parkinson’s or Huntington's disease. In this study, we investigated how the striatonigral pathway affects orofacial movement in mice. To this end, we trained mice in an headfixed olfactory-guided operant task to a) associate odours with the action of licking to receive a reward, b) suppress licking to avoid a punishment and c) suppress licking for a delayed reward. Then, we optogenetically stimulated striatonigral D1 receptor expressing neurons in anterior ventro-lateral striatum and explored the role of this circuit in licking behaviour. We found that D1 stimulation elicits licking that is dependent on light frequency, action phase and context.
The production of coordinated movements requires the synchronised activity of multiple neuronal networks that are distributed in different brain regions. In particular, the basal ganglia plays a critical role in deciding what action is selected in a given context, based on previous learned behaviour and on the sensorial information available. These domains are organised in functionally specialised basal ganglia areas with distinct axonal inputs and outputs, as well as specific gene expression patterns (e.g. D1/D2 dopamine receptor), - thus allowing to anatomically integrate and process the relevant information required to select and execute specific movements. Recently, the functional and anatomical connectivity of basal ganglia has started to be investigated in a systematic manner. In the striatum - the most prominent structure in basal ganglia - striatonigral and striatopallidal pathways work together to facilitate or suppress an action based on past learning and present context. Therefore, the plasticity needed to generate a wide range of adaptive behaviours arises from dopaminergic neuromodulation of simultaneous activation or suppression of a combination of striatal circuits. By carefully dissecting this circuit board, we can begin to identify key clinically interventionable circuit nodes that go awry and give rise to maladaptive states like those observed in Parkinson’s or Huntington's disease. In this study, we investigated how the striatonigral pathway affects orofacial movement in mice. To this end, we trained mice in an headfixed olfactory-guided operant task to a) associate odours with the action of licking to receive a reward, b) suppress licking to avoid a punishment and c) suppress licking for a delayed reward. Then, we optogenetically stimulated striatonigral D1 receptor expressing neurons in anterior ventro-lateral striatum and explored the role of this circuit in licking behaviour. We found that D1 stimulation elicits licking that is dependent on light frequency, action phase and context.
Descrição
Tese de Mestrado, Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Gânglios da base Selecção de acções Estriado Comportamento Circuitos Teses de mestrado - 2024