Nucleus accumbens neuronal activity in associative learning

Abstract

Para sobreviver, os indivíduos aprendem sobre o que está em seu redor e ajustam-se para gerar um comportamento apropriado. Este processo é mediado em parte pelo núcleo accumbens (NAc), que é maioritariamente constituído por neurónios espinhosos médios GABAérgicos (MSNs), que expressam o recetor de dopamina D1 ou D2. Classicamente, os D1-MSNs estão associados a recompensa e os D2- MSNs a aversão; no entanto, estudos recentes questionam esta dicotomia, demonstrando que ambas as populações podem despoletar comportamentos associativos tanto positivos como negativos. Nesta dissertação, pretendemos estudar qual é a relevância dos neurónios do tipo D1 ou D2 do NAc na aprendizagem associativa de recompensa/aversão. Inicialmente, identificámos conjuntos neuronais no NAc que representam respostas de recompensa em fases iniciais versus fases mais tardias de aprendizagem de comportamento Pavloviano. Para isto, examinamos o padrão de expressão de c-fos, uma proteína codificada por um gene de ativação imediata, que é frequentemente usada como marcador de atividade neuronal. Em paralelo, a atividade dos neurónios do NAc foi gravada durante o condicionamento pavloviano usando fotometria de fibra. Esta abordagem permitiu explorar como é que os neurónios do NAc codificam aprendizagem associativa. Os nossos dados mostram que o NAc não apresenta alterações na densidade de células c-fos+ durante as fases inicial e tardia de aprendizagem, em comparação com a condição controlo. Gravações com fotometria de fibra para medir transientes de cálcio durante o condicionamento Pavloviano mostraram que a atividade “bulk” dos neurónios D1 e D2 é genericamente semelhante, mas com algumas diferenças durante a aprendizagem. Os neurónios D1 parecem desempenhar um papel particularmente relevante nos estádios iniciais do condicionamento pavloviano, uma vez que a sua atividade durante a apresentação da pista está aumentada nos “trials” iniciais. À medida que o processo de aprendizagem é consolidado, a atividade dos neurónios D1 e D2 diminui em resposta à pista e à recompensa. Finalmente, gravações com fotometria de fibra durante o condicionamento Pavloviano negativo mostraram que ambas as populações aumentam sua atividade em resposta à pista à medida que os animais associam a pista com o choque nas patas (consequência negativa), e também aumentam em resposta ao choque nas patas. Os nossos dados refutam a ideia da função dicotómica dos neurónios D1 e D2, sugerindo que estes neurónios desempenham um papel concorrente no processamento de recompensa e aversão.

To survive, individuals learn about their surroundings and adjust to generate appropriate behaviors. These processes are partially mediated by the nucleus accumbens (NAc), that is mainly composed by GABAergic medium spiny neurons (MSNs), that express either dopamine receptor D1 or D2. Classically, NAc D1-MSNs have been associated with reward, and D2-MSNs with aversion; however, recent studies challenge this view, showing that both populations can drive positive and negative associative learning. Here, we aim to clarify what is the relevance of D1-/D2-neurons in reward/aversive (Pavlovian) associative learning. We identified NAc neuronal ensembles that represent early versus late Pavlovian conditioning by examining the pattern of expression of endogenous c-fos, an immediate early gene and marker of neuronal activity in B6 wild-type mice after the Pavlovian conditioning test. After, we recorded the activity of NAc neurons responsive to conditioned stimuli (CS), positive outcomes (sucrose) or to negative outcomes (shock) during positive/negative Pavlovian conditioning using fiber photometry in freely behaving mice. This approach allowed us to better understand how NAc neurons respond during associative learning. Our data shows that the NAc does not present changes in c-fos+ cell density during early and late Pavlovian conditioning learning in comparison to control condition. Fiber photometry recordings of calcium transients during Pavlovian conditioning showed that D1- and D2-neurons exhibit a general similar pattern of bulk activity, with minor differences throughout learning. D1-neurons appear to play a particularly relevant role in the early stages of positive Pavlovian conditioning, as activity during CS presentation increases in the initial trials. As the learning process is consolidated, the activity of D1- and D2-neurons decreases in response to the cue and to the reward. Finally, fiber photometry recordings during negative Pavlovian conditioning showed that D1- and D2-neurons increase their activity in response to the CS as animals associate the CS with the unconditioned stimuli (US, shock), and it also increases in response to the US. Our data contradicts the proposed model of a dichotomous function of D1- and D2-neurons and suggest that both populations play an important role in reward and aversion processing.