Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/83374
Title: The superior colliculus projection to midbrain dopaminergic neurons: a study on its anatomy and role during spacial orientation behavior.
Other Titles: A projecção do colliculus superior para os neurónios dopaminérgicos do mesencéfalo: estudo da sua anatomia e papel durante o comportamento de orientação espacial.
Authors: Afonso, Ana Rita Costa 
Orientador: Cruz, Ana Vieira dos Santos
Duarte, Carlos Jorge Alves Miranda Bandeira
Keywords: Colliculus Superior; Neurónios dopaminergicos da Substantia Nigra pars compacta; Orientação; Iniciação de movimento; Superior Colliculus; Substantia Nigra pars compacta Dopaminergic Neurons; Orientation; Movement initiation
Issue Date: 29-Sep-2017
Serial title, monograph or event: The superior colliculus projection to midbrain dopaminergic neurons: a study on its anatomy and role during spacial orientation behavior.
Place of publication or event: Grupo "Neurobiology of Action", Fundação Champalimaud, Lisboa
Abstract: AbstractThe selection of suitable actions in response to external factors in the environment and given an internal state, is essential for the survival of any animal. Such selection is thought to be dependent on the activity of the cortex and basal ganglia circuitry. Specifically, the initiation of actions requires activity of Substantia Nigra pars compacta (SNc) dopaminergic neurons. A fundamental feature of this process is the ability to adjust the head and body orientation. Therefore, brain centers responsible for orientation and movement initiation should communicate. Superior Colliculus (SC), a well-studied midbrain area, is the structure that for a long time has been connected with orientation behavior, because it is a center of sensory information processing and motor relay, but also a point of convergence of multiple cortical projections associated with cognition. Although a direct projection between SC and SNc exists and has potentially a role in influencing dopaminergic neuronal activity during gait initiation, this possibility has not been explored so far.We hypothesize that such connection modulates SNc dopaminergic neuron activity, contributing to the initiation of movements, in particular influencing orientation behavior. Our goal, with this works, was to characterize anatomically the SC-to-SNc pathway, in terms neuronal populations and its topographic distribution, and to begin to dissect the neuron-specific role of this path during action initiation and orientation. Using transgenic mouse lines and a combination of Cre-dependent viral injections and immunohistochemistry techniques, we found that the SC-to-SNc projection is strongly glutamatergic with few and no contribution from GABAergic and cholinergic neuronal populations, respectively. The glutamatergic projection is organized in a topographic manner, with the higher density of projections, although not exclusively, present in the dorso-lateral SNc. We furthermore studied the functional role of this pathway in freely moving mice in the open field. Through electrophysiology recordings of SC activity, optogenetic manipulation of SC glutamatergic projections in SNc, and using detailed movement analysis of the mouse tracked by a head-mounted accelerometer and high-resolution video recordings we found that activity of SC-to- SNc projection Is sufficient for eliciting movement initiation, largely in the form of turning behavior. Such movements correspond to short-latency ipsilateral rotations. These behaviors were associated with both SNc and SC activity. Moreover, the neuronal activity in the deep layer of SC was found to be low during resting and to increase when movements are initiated or when these glutamatergic projections are stimulated, suggesting an involvement in movement initiation. Overall, the results presented in this thesis suggest that the SC-to-SNc pathway is largely dominated by a glutamatergic projection, and that activity of these neurons is sufficient to initiate movements, mainly, rotations similar to orientation behavior. Therefore, this projection could be a critical modulator of SNc dopaminergic neurons activity, maybe influencing orientation behavior during the initiation of an action.
A selecção de acções apropriadas em resposta a factores externos tendo em conta um dado estado interno, é essencial para a sobrevivênci de todos os animais. Esta selecção é dependente da actividade do circuito entre o cortex e os ganglios basais. Especificamente, a iniciação de acções requer a actividade dos neurónios dopaminergicos da sustancia nigra pars compacta (SNc). Uma caracteristica fundamental deste processo é a capacidade de ajustar a orientação da cabeça e do corpo. Portanto, os centros cerebrais responsáveis pela orientação e por iniciar movimentos devem comunicar entre si. O colliculus superior (SC), uma area , uma area do mesencéfalo, é a estrutura que se sabe estar relacionada com o comportamento de orientação, uma vez que é um centro de processamento de informação sensorial e de transmissão motora, mas também porque é um ponto the convergencia de multiplas projecções corticais associadas com a cognição. Apesar de uma projecção directa entre o SC e o SNc existir, e potencialmente ter um papel influenciando a actividade neuronal dopaminergica durante a iniciação de movimentos, esta possibilidade nunca foi explorada.NNós hipotetizamos que esta conecção pode modular os neurónios dopaminergicos do SNc, contribuindo para a iniciação dos movimentos, em influenciando o comportamento de orientação. O nosso proposito, com este trabalho, era caracterizar anatomicamente a projecção tecto-nigral, em termos das suas populações neuronais e da topografia, e começar a desvendar a função desta via durante a iniciação de acções e orientação. Utilizando linhas trangénicas de ratinho e uma combinação de injecções virais dependentes de cre e técnicas de imunohistoquímica, descobrimos que a projecção SC-SNc é fortemente glutamatergica, com pouca e nenhuma contribução das populações neuronais GABAérgicas e colinérgicas, respectivamente. A projecção glutamatergica está organizada de uma maneira topografica, sendo que a maior densidade de projecção, mas não a exclusiva, se encontra na região-dorso lateral do SNc. Adicionalmente, estudamos o papel funcional desta projecção no movimneto livre de ratinhos num campo aberto.Atravéz de estudos electrofisiologicos da actividade do SC e da manipulação optogenética das projecções glutamatergicas no SNc, enquanto o movimento detalhado do ratinho é monotorizado por um acelerometro e video-gravações de alta resolução, descobrimos que a actividade desta via é sufficiente para desencadear iniciação de movimento, em particular na forma de rotações ipsilaterais de curta latencia. Ambos estes comportamentos são associados coma actividade do SNc e do SC, respectivamente. Ademais, a actividade neuronal das camadas profundas do SC é muito baixa durante periodos de descanso e aumenta significativamente quando o movimento é iniciado ou quando as projecções glutamatergicas são estimuladas, sugerindo um possivel involvimento na iniciação da locomoção.Globalmente, estas evidências sugerem que a projecção SC-SNc é largamente glutamatergica e que a actividade deste neurónios é sufficiente para iniciar movimentos, principalmente rotações similares a comportamentos de orientação. Assim sendo, esta projecção pode ser um modulador critico da actividade dos neurónios dopaminergicos do SNc, em particular regulando a iniciação de movimento, talvez influenciando o comportamento de orientação durante a iniciação de uma acção.
Description: Dissertação de Mestrado em Biologia Celular e Molecular apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/83374
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:UC - Dissertações de Mestrado

Files in This Item:
File Description SizeFormat
Dissertação de Mestrado Ana Rita Costa Afonso.pdf3.2 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s) 50

388
checked on Nov 23, 2020

Download(s) 50

373
checked on Nov 23, 2020

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons