Role of Nucleus accumbens dopamine D1- and D2-expressing neurons in reward and motivation

Abstract

The reward circuit, mainly comprised by dopaminergic fibres arising from the ventral tegmental area (VTA) to the nucleus accumbens (NAc), is one of the most widely studied brain circuits due to its role in mediating reward perception and reinforcement. Dopamine signals from the VTA are essentially decoded by two major populations of GABAergic medium spiny neurons (MSNs) in the NAc, which are canonically segregated into those expressing dopamine receptor D1 (D1R) (D1-MSNs), representing the direct pathway, and those expressing the dopamine receptor D2 (D2R) (D2-MSNs), comprising the indirect pathway. For many years a functional dichotomy between the direct and the indirect pathways has been assumed in motor control, and lately the same was proposed for valenced stimuli: whereas D1-MSNs mediate reward and reinforcement, D2-MSNs have been associated with aversion and punishment. Interestingly, previous work from our team has shown that in utero exposure to high levels of the synthetic glucocorticoid (GC) dexamethasone (iuGC), induces a decrease in dopaminergic innervation of the NAc together with epigenetic and expression changes of D2R (but not other dopamine receptors). At a behavioural level, iuGC animals presented anhedonia and increased drug-seeking behaviour, suggestive of an imbalance of the reward circuit. In this thesis we show that iuCG exposure negatively affects motivational drive towards natural rewards and induces prominent D2R changes in different brain regions. Importantly, normalization of dopamine levels by systemic administration of levodopa rescues this phenotype, and this seems dependent on D2R but not D1R signalling. To get further insight on the role of D1- and D2-MSNs in behaviour, we used optogenetic tools to selectively activate (and inhibit) these neuronal populations during reward-related behaviours. Contrary to the dominant perspective in the field, our results suggest that the classic view of D1-D2 functional antagonism does not hold true for all dimensions of reward-related behaviours, and that D2-MSNs may play a more prominent pro-reward role than originally anticipated. We demonstrate that both D1- and D2-MSNs are recruited during tasks requiring different degrees of motivation, and that optogenetic activation of either neuronal population enhances motivation in mice. Because data regarding D2-MSNs was paradoxical, we used a different methodological approach in rats, and further show that activating NAc D2-MSNs increases motivation and is able to induce behavioural conditioning, i.e, is reinforcing. Conversely, optogenetic inhibition of D2-MSNs decreases motivation and induces aversion. These results were extended to the iuGC model, in which we show that brief D2-MSNs activation rescues their motivational deficits. In vivo electrophysiological recordings in downstream target regions confirmed the selectivity of the pathway activation and further supported the behavioural data. We next performed hybrid experiments in which optogenetic activation of D2-MSNs was coupled with pharmacological manipulation, and showed that the increase in motivation required acetylcholine-induced dopamine release from VTA dopaminergic terminals into the NAc, and that both D1R and D2R are essential for this behavioural effect. Lastly, we show for the first time that NAc D2-MSNs can bi-directionally modulate valenced behaviours depending on their neuronal activation pattern: brief stimulation of these neurons is reinforcing whereas prolonged D2-MSNs stimulation is aversive. In conclusion, with this work we prove for the first time that the classic view of D1- and D2- MSNs functional antagonism is not true for all dimensions of reward behaviours and that D2-MSNs play a more pro-motivation/reward role than initially anticipated.

O sistema de recompensa, constituído principalmente por fibras dopaminérgicas originárias da área tegmental ventral (VTA) para o núcleo accumbens (NAc), é um dos circuitos do cérebro mais estudados devido ao seu papel na percepção de recompensas e no reforço. Os sinais dopaminérgicos do VTA são principalmente descodificados por duas populações GABAérgicas de neurónios espinhosos médios (MSNs) no NAc, que são tipicamente segregados nos que expressam o recetor de dopamina D1 (D1R) (D1-MSNs), que constituem a via direta, e aqueles que expressam o receptor de dopamina D2 (D2R) (D2-MSNs), representando a via indireta. Ao longo de vários anos foi proposta uma dicotomia funcional entre a via direta e a via indireta no que respeita ao controlo motor, e, recentemente, o mesmo foi sugerido para estímulos com valência: enquanto que os D1-MSNs medeiam recompensa e reforço positivo, os D2-MSNs têm sido associados a aversão e punição ou reforço negativo. Trabalho realizado anteriormente pelo nosso grupo demonstrou que a exposição in utero a elevados níveis do glicocorticóide (GC) sintético dexametasona (iuGC), induzia uma diminuição da inervação dopaminérgica do NAc, bem como alterações epigenéticas e de expressão do D2R (mas não de outros recetores de dopamina). A nível comportamental, os animais iuGC apresentavam anedonia e aumento de drug-seeking behavior, o que sugeria um desequilíbrio do sistema de recompensa. Nesta tese mostrámos que a exposição a iuCG afeta negativamente a motivação para obter recompensas naturais, e induz alterações proeminentes nos D2R em diferentes regiões do cérebro. A normalização dos níveis de dopamina através da administração sistémica de levodopa, foi capaz de resgatar este fenótipo, dependendo da sinalização via D2R (mas não D1R). De forma a compreender melhor qual o papel dos D1- e D2-MSNs no comportamento, usamos a técnica de optogenética para seletivamente ativar (ou inibir) populações neuronais durante tarefas de recompensa. Os nossos resultados sugerem que a visão clássica de antagonismo funcional entre D1-D2, não é válida para todas as dimensões do comportamento de recompensa, e que os D2-MSNs podem desempenhar um papel pró-recompensa mais saliente do que inicialmente previsto. Demonstramos que tanto os D1- como os D2-MSNs são recrutados durante tarefas que requerem diferentes graus de motivação, e que a ativação optogenética de qualquer uma destas populações neuronais aumenta a motivação em murganhos. Uma vez que os dados sobre os D2- MSNs eram paradoxais, usámos uma abordagem metodológica diferente em ratos. Confirmamos que a ativação dos D2-MSNs no NAc aumenta a motivação e, além disso, mostramos que induz condicionamento, ou seja, é recompensador. Por outro lado, a inibição optogenética dos D2-MSNs diminuiu a motivação e induziu aversão. Mostramos ainda que ativação breve dos D2-MSNs durante a tarefa reverte os défices motivacionais dos animais iuGC. Gravações electrofisiológicas in vivo em regiões alvo a jusante do NAc confirmaram a seletividade da ativação da via. De seguida, realizámos experiências híbridas em que a ativação optogenética dos D2-MSNs foi emparelhada com manipulação farmacológica. O aumento na motivação induzida pela activação dos D2-MSNs depende da libertação de dopamina mediada por acetilcolina no NAc pelos terminais dopaminérgicos do VTA. Tanto os D1R como os D2R são essenciais para este efeito comportamental. Por fim, mostrámos que os D2-MSNs do NAc podem modular bidireccionalmente comportamentos de valência, dependendo do seu padrão de ativação neuronal: a estimulação breve destes neurónios é recompensadora, enquanto que uma estimulação mais prolongada é aversiva. Em conclusão, com este trabalho provámos pela primeira vez que a visão clássica de antagonismo funcional dos D1- e D2-MSNs não é verdade para todas as dimensões de comportamentos de recompensa e que os D2-MSNs desempenham um papel mais prómotivacional do que o antecipado.