CONTROL OF FEAR MEMORY BY ADENOSINE RECEPTORS: role in the physiology of the related brain circuitry and implications for fear extinction and post-traumatic stress disorder

Abstract

Anxiety- and trauma-related disorders such as post-traumatic stress disorder (PTSD) are characterized by pathological fear responses and impaired extinction of aversive memories. In both humans and rodents, caffeine intake in moderate doses correlates negatively with anxiety behavior, depression and cognitive dysfunction. These effects of caffeine are now known to be mediated mainly through the antagonism of adenosine A2A receptors (A2AR) in regions of the forebrain. In addition, A2AR in the hippocampus and in the amygdala were shown to modulate synaptic plasticity and control contextual associated fear memory. However, the role of these receptors in the extinction of fear is still unknown. In the present work, it was implemented and characterized a model of contextual fear conditioning and ‘retrieval-extinction’ paradigm. Next, the memory trace of contextual, fear and extinction memories was searched through c-fos immunohistochemistry on brain slices. Finally, it was investigated whether fear and extinction memories altered basal transmission, long-term potentiation (LTP) and depotentiation (metaplasticity) in the dorsal and ventral hippocampus and in the amygdala, through extracellular recordings on brain slices. The role of A2AR on fear extinction was investigated by injecting mice with the selective antagonist, SCH58261 (0.1mg/kg, intraperitoneal), 1 hour before each extinction trial and evaluating the fear response to the conditioning chamber, 24 hours after the last extinction trial. Moreover, it was also investigated if ex vivo blockade of A2AR modified basal transmission and plasticity on hippocampal and amygdala slices of naïve, fear conditioned and of mice that went through fear extinction.The results show that the global blockade of A2AR accelerates the extinction of contextual fear. Moreover, contextual fear conditioning increased activation of the hippocampus and of the amygdala whereas fear recall was associated with activation of other brain regions that orchestrate fear responses, namely the prelimbic area of the medial prefrontal cortex, the hypothalamus and the core region of the nucleus accumbens. Furthermore, contextual fear conditioning caused a stable increase of the LTP in the ventral hippocampus and of the basal excitability in the amygdala. Remarkably, ex vivo blockade of A2AR, which had no effect in the ventral hippocampal slices from naïve animals, in slices from fear conditioned mice reversed the conditioned-induced exacerbation of the LTP. Moreover, fear extinction also only reversed this effect of contextual fear conditioning in the ventral hippocampus.These results suggest a gain of function of the A2AR in the ventral hippocampus during the acquisition of contextual fear memories, and provides neurobiological evidence of a role for A2AR on fear extinction reinforcing the view of antagonists of these receptors as novel candidate drugs to manage fear- and anxiety-related disorders such as PTSD.

Patologias com sintomas de trauma e ansiedade, como por exemplo, stress pós-traumático (PTSD), são caraterizadas por respostas excessivas de medo e a incapacidade de extinguir memórias aversivas. Tanto em humanos como em roedores, pequenas doses de cafeína têm demonstrado ter efeitos benéficos em comportamentos de ansiedade, depressão e disfunção cognitiva. Já foi demonstrado que estes efeitos da cafeína são mediados, maioritariamente, pelo o antagonismo dos receptores de adenosina A2A (A2A). Estes receptores têm como, uma das suas funcções, modular processos de plasticidade sináptica, o que já mostrou ser vantajoso no controlo de memórias de medo. No entanto, nunca foi estudado o impacto destes receptores na extinção de memórias de medo.No estudo que vai ser apresentado, começou-se por implementar e caraterizar um modelo de medo contextual condicionado, assim como, um paradigma de ‘recuperação-extinção’ de memórias de medo. De seguida, caraterizou-se o padrão de ativação neuronal neste modelo através da imuno-histoquímica da proteína c-fos. Por fim, através de registos eletrofisiológicos extracelulares, investigou-se de que forma o medo e a extinção de memórias alterava a transmissão basal, a potenciação de longa duração e a despotenciação no hipocampo dorsal e ventral, e na amígdala. O papel dos receptores A2A foi estudado através da injeção intraperitoneal do antagonista seletivo destes receptores, SCH58261 (0,1mg/kg) 1 hora depois de cada teste de extinção. O efeito deste antagonista foi avaliado através da resposta de medo à câmara condicionada, 24horas depois do último teste de extinção. Além disto, ainda avaliamos se administração aguda ex-vivo do antagonista dos receptores A2A, modificava a transmissão basal e os processos de palsticidade em fatias de hipocampo e amigdala de animais control e animais submetidos ao protocolo de medo condicionado e extinção.Os resultados mostram que o bloqueio geral dos receptores A2A acelera a extinção do medo contextual, e ainda indicam que o medo contextual condicionado aumenta ativação neuronal tanto no hipocampo como na amigdala, mas que para relembrar a memória é necessário ativação de outras zonas cerebrais, nomeadamente, a zona pre-limbica do cortex pre-frontal, o hipotálamo e o núcleo accumbens. Os resultados da eletrofisiolofia mostram que o medo contextual condicionado levou a um aumento da magnitude da potenciação de longa duração no hipocampo ventral, e a um aumento da excitabilidade basal na amigdala. Notoriamente, o bloqueio ex-vivo dos receptores A2A normalizou a potenciação de longa duração no hipocampo ventral.Com isto, estes resultados sugerem que durante aquisição de medo existe uma hiperfunção dos receptores A2A no hipocampo ventral, e que antagonistas destes receptores poderão vir a ter um papel no tratamento de doenças de ansiedade como o PTSD.