Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/21992
Title: Stressing out decisions. The role of stress in cortico-basal ganglia loop processing and instrumental conditioning
Authors: Ferreira, Eduardo Miguel Gonçalves Dias 
Orientador: Geraldes, Carlos Frederico Gusmão Campos
Castelo Branco, Miguel de Sá e Sousa
Issue Date: 7-Mar-2013
Citation: FERREIRA, Eduardo Miguel Gonçalves Dias - Stressing out decisions : the role of stress in cortico-basal ganglia loop processing and instrumental conditioning. Coimbra : [s.n.], 2013. Tese de doutoramento
Abstract: Uncertainty is not only a problem in decision-making, but a prevalent quality in natural environments. Nature “equipped” us with the ability to control and coordinate behavioral and physiological adjustments imposed by the continuous reshaping of the surrounding world and of our internal needs – a process that is known as stress response. Beyond the overall complexity of moving and interacting within an uncertain world, single actions or action sequences can be triggered by their antecedents (stimulus) or performed based on their consequences (outcome). The weight of each of these associations at the time of action performance will bias if the action is executed using a habitual or a goal-directed strategy. The ability to shift between these different action strategies is necessary for adaptation to unpredictable environments. In the present series of studies, we show that a previous chronic exposure to an unpredictable environment, capable of eliciting a sustained stress response, promotes a bias toward the execution of habits versus goal-directed actions. Using two different operant tasks, we uncovered that lever pressing to obtain food rewards in rats and mice submitted to chronic unpredictable stress became insensitive to changes in outcome value and resistant to changes in action-outcome contingency. Therefore, chronic stressed animals were no longer able to adjust their actions based on their consequences, but rather actions were controlled by simple rules, and triggered by an antecedent stimulus or state. When investigating the associative and sensorimotor cortico-basal ganglia circuits known to mediate these different behavioural strategies, we found a divergent structural reorganization after chronic stress, with atrophy of medial prefrontal cortex and the associative striatum, and hypertrophy of the sensorimotor striatum. This relative structural advantage of the sensorimotor network raised the hypothesis that the competition for action control between these distinct cortico-basal ganglia circuits would already be biased when new actions had to be learned and performed after a chronic exposure to an unpredictable environment. In order to further explore this possibility, we recorded the simultaneous activity of neuronal ensembles in these frontostriatal circuits during lever press training. We reveal that habitual lever pressing in chronically stressed animals emerged concomitantly with a progressive decline in functional frontostriatal interactions, and a shift in the pattern of lever press-related activity in dorsal striatum, with the associative striatum becoming less engaged than sensorimotor striatum as training progressed. Interestingly, chronic stress effects on frontostriatal activity were not observed early in training, and did not affect baseline firing rate or the dynamic range of firing rate, suggesting that the observed shift in neuronal activity emerged during lever press training leading to a shift in action mode. The herein reported bias toward the use of habitual action strategies after exposure to an unpredictable environment could be interpreted as a preparatory response toward a context of uncertainty, where we cannot manipulate the probability of obtaining an outcome, and the use of a strategy in which actions would be controlled by simple rules, a particular stimulus or state, can be highly advantageous. However, in a world of increasing complexity where our everyday life decisions demand a permanent readjustment to major changes in the policies but also to a continuous reshaping of our current needs, the inability of stressed subjects to shift from habitual strategies to goal-directed behavior might be highly detrimental. Such impairment might be of relevance to understand the high comorbidity between stress-related disorders and addictive behavior or compulsivity, or the maintenance of old habits affecting activities spanning from our everyday life to economics.
A incerteza, mais do que um problema relacionado com a tomada de decisões, é uma característica predominante dos ambientes naturais. Em contextos de incerteza, e perante as contínuas modificações do ambiente que nos rodeia e das nossas necessidades internas, a natureza “equipou-nos” com a capacidade de adaptar as nossas ações e regular parâmetros fisiológicos – um processo conhecido como a resposta de stress. Para além de toda a complexidade inerente à interação com um mundo incerto, as ações, desde as mais simples às mais complexas, podem ser despoletadas por elementos que as antecedem (estímulos), ou executadas com base nas suas consequências (resultados). No momento em que uma ação é executada, o peso de cada uma destas associações vai definir se é utilizada uma estratégia habitual ou uma estratégia intencional. A capacidade para alternar entre a utilização de uma ou outra estratégia de ação é fundamental para a adaptação a um ambiente imprevisível. Nesta dissertação, demonstramos que a exposição prolongada a um ambiente imprevisível, capaz de gerar uma resposta de stress crónica, promove a utilização de estratégias de ação habitual, ao invés de estratégias de ação intencional. Utilizando duas tarefas instrumentais diferentes, mostramos que em ratos e murganhos sujeitos a protocolos de stress imprevisível crónico, a manipulação de uma alavanca para obter uma recompensa alimentar tornou-se insensível a modificações no valor do seu resultado, e resistente a alterações na contingência ação-resultado. Assim, os animais sujeitos a stress crónico tornaram-se incapazes de adaptar ações com base nas suas consequências; pelo contrário, as ações passaram a ser controladas por regras simples e despoletadas por um estímulo ou estado precedente. Ao estudar os circuitos associativos e sensório-motores entre o córtex e os gânglios da base (circuitos córtico-basais), que se sabia já mediarem estas diferentes estratégias comportamentais, encontramos um padrão divergente de reorganização estrutural, com atrofia do córtex pré-frontal medial e do estriado associativo, e hipertrofia do estriado sensório-motor. Esta relativa vantagem estrutural dos circuitos sensório-motores levantou a hipótese de que a competição pelo controle da ação entre os diversos circuitos córtico-basais esteja já enviesada quando a aprendizagem e execução destas ações ocorre após exposição crónica a um ambiente imprevisível. No sentido de explorar esta hipótese com maior profundidade foram executadas, no decorrer do treino de manipulação de alavancas, novas experiências com registo simultâneo da atividade de populações de neurónios nestes circuitos fronto-estriatais. Demonstramos assim que, em animais sujeitos a stress crónico, a estratégia habitual de manipulação de alavancas surge em paralelo com um declínio progressivo nas interações funcionais fronto-estriatais, e com um desvio no padrão da atividade neuronal relacionada com a manipulação da alavanca no estriado dorsal, com um menor envolvimento do estriado associativo em relação ao estriado sensório-motor à medida que o treino progride. Curiosamente, os efeitos do stress crónico na atividade fronto-estriatal não foram aparentes nas fases iniciais de treino, e não modificaram nem a taxa de disparo neuronal em repouso, nem a gama das taxas de disparo, sugerindo que as modificações observadas na atividade neuronal surgiram no decorrer do treino, levando a um desvio na estratégia de ação. A tendência aqui descrita para a utilização de estratégias de ação habitual após exposição a um ambiente imprevisível poderá ser interpretada como uma resposta de preparação para um contexto de imprevisibilidade, onde não é possível manipular a probabilidade de obter um determinado resultado; e a utilização de uma estratégia em que as ações são controladas por regras simples, tais como um estímulo ou estado particular, pode trazer grandes vantagens. No entanto, num mundo de complexidade crescente, onde decisões quotidianas são continuamente ajustadas a alterações importantes nas circunstâncias externas, assim como a permanentes modulações das nossas necessidades, a incapacidade de sujeitos previamente expostos a stress alternarem entre estratégias habituais e intencionais pode ser muito lesiva. Esta incapacidade poderá ser relevante na compreensão dos elevados níveis de comorbilidade entre perturbações relacionadas com stress e a ocorrência de dependências e comportamentos compulsivos, ou até mesmo a manutenção de hábitos antigos com impacto em atividades tão diversas como o nosso quotidiano e a economia.
Description: Tese de doutoramento em Biologia, na especialidade de Fisiologia, sob orientação do Professor Doutor Carlos F. Geraldes, e do Professor Doutor Miguel Castelo-Branco, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/21992
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Ciências da Vida - Teses de Doutoramento

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