Contribution of the ventro-lateral periaqueductal grey matter to fear conditioned analgesia

Abstract

Fear conditioned analgesia (FCA) can be defined as a reduction of pain sensitivity resulting from the exposure to a stimulus previously associated with an aversive event. Indeed, among the classically studied fear reactions - like freezing or avoidance – analgesia has been observed after fear conditioning although the underlying neuronal circuits are largely unknown. The ventro-lateral part of the periaqueductal grey (vlPAG) has been shown to be necessary for fear expression but is also considered as a key structure in descending modulation of pain. Thus, the vlPAG, which is highly connected to brain regions involved in fear processing (such as the amygdala and the medial prefrontal cortex) but also to the spinal cord, could be an interface between fear and pain behaviours observable in FCA. In this context, the present project had two main objectives: the first aim was to investigate further the behavioural paradigm of FCA recently established in the laboratory. We observed that animals submitted to a hot-plate (HP) test show a delayed response when the trial is paired with a conditioned stimulus (CS+). This result suggests that CS+-evoked fear responses can alter the animals pain threshold. We verified that this effect could not be due to a specific stress effect, and observed that FCA can be replicated with the same strength when the HP test is repeated. The second goal of the study was to test whether the vlPAG is involved in FCA. To do so, we used optogenetic tools to manipulate two populations of inhibitory interneurons: the somatostatin-expressing (SOM+) and parvalbumin-expressing (PVa+) interneurons. We observed that the activation of these two subpopulations induced a pro-nociceptive behavior, while the inhibition of PVa+ interneurons induced an analgesic-like behaviour in the HP test. Importantly, these modulations of pain threshold were not any more visible when the animals were submitted to the FCA paradigm, suggesting that the fear-induced analgesia overcomes the optogenetic effects.

Analgesia condicionada por medo (FCA) pode ser definida como uma redução da sensibilidade à dor resultante da exposição de um estímulo que foi previamente associado a um evento aversivo. De facto, entre as respostas clássicas de medo, como imobilidade ou fuga , analgesia tem também sido observada depois de medo condicionado. Contudo, os circuitos neuronais inerentes são ainda desconhecidos. Apesar da parte ventro-lateral da substancia cinzenta periaquedutal (vlPAG) ser necessária para a expressão de medo esta estrutura é também considerada essencial na modulação da via descendente da dor. Assim, a vlPAG é uma área que está extensivamente conectada a regiões neuronais envolvidas no processamento do medo (como por exemplo a amigdala e o cortex pre-frontal) mas também à medula espinal, podendo funcionar como uma interface entre as manifestações de medo e dor observados em FCA. Desse modo, o presente estudo teve dois objectivos principais: o primeiro foi estudar em detalhe o paradigma comportamental de FCA que foi recentemente estabelecido no laboratório. Nós observamos que os animais quando sujeitos ao teste de placa quente (HP) demonstram um atraso na resposta quando o teste é emparelhado com o estímulo condicionado (CS+). Estes resultados sugerem que as respostas de medo elicitadas pelo CS+ podem alterar os limiares de dor dos animais. Além disso, verificámos que estes resultados não foram causados devido a um efeito de stress especifico e que quando o HP teste é repetido a FCA pode ser replicada, mantendo a mesma intensidade de resposta. O segundo objectivo deste estudo foi testar se a vlPAG está envolvida em FCA. Para tal, usamos ferramentas de optogenética para manipular duas subpopulações de interneurónios inibitórios: interneurónios expressando somatostatina (SOM+) e interneurónios expressando parvalbumina (PVa+). No teste de HP, constatámos que a activação destas duas subpopulações induz um comportamento pró-nociceptivo, enquanto que a inibição dos interneurónios de PVa+ resultam num comportamento analgésico. É importante salientar que a modulação destes limiares de dor não foi visível quando os animais foram submetidos ao paradigma de FCA, sugerindo que o efeito analgésico induzido por medo supera os efeitos da manipulação optogenética.