Measuring dopamine release in different domains of the striatum during the development of habitual reward seeking.

Abstract

A principal teoria sobre o papel do neurotransmissor Dopamina (DA) baseia-se nos padrões adaptativos da frequência de disparo de neurónios dopaminérgicos por todo o mesencéfalo, e de que forma contribuem para as vias de previsão e sinalização de recompensa por todo o cérebro. As maiores concentrações de dopamina podem ser observadas no estriado, que recebe projeções organizadas topograficamente provenientes do córtex associativo, córtex límbico e córtex sensorimotor, que são moduladas por neurónios dopaminérgicos provenientes do mesencéfalo. Embora seja geralmente aceite que a aprendizagem de um novo estímulo recompensador é mediada pela libertação e sinalização de dopamina no estriado límbico ventromedial (VMS), evidências crescentes indicam que o processamento da recompensa não é do domínio exclusivo do VMS. Aqui, a sinalização dopaminérgica está envolvida no controlo de comportamentos guiados por objectivos (goal-directed behaviour), sendo que este tipo de acção dependente de objectivos pode frequentemente sofrer uma transição para comportamento independente de objectivos, ou mesmo comportamentos automáticos (hábitos), os quais são controlados pelo estriado dorsolateral (DLS) sensorimotor.De facto, estudos recentes demonstram que tanto durante o desenvolvimento de hábitos naturais como de toxicodependência, o processamento de comportamento de procura de recompensa muda de inicialmente regido por um objectivo para uma resposta automática/hábito. Estes estudos sugerem que essa transição reflecte uma mudança na sinalização de dopamina nestas mesmas regiões (do VMS para o DLS). No entanto, ainda se desconhecem os mecanismos e momento exacto desta transição na sinalização dopaminérgica durante o desenvolvimento de toxicodepêndencia, bem como é semelhante ao que se passa na procura de estímulos de recompensa naturais. Neste sentido, apesar de não existirem dúvidas de que DA é de facto fulcral para a aprendizagem da recompensa e a formação de hábitos, o seu envolvimento exacto nestas diferentes regiões cerebrais é ainda pouco claro e requer mais estudos.Por estes motivos, o objectivo principal deste projecto foi avaliar de que forma a libertação de dopamina em diferentes regiões do estriado se relaciona com o desenvolvimento e formação de um hábito e a procura de recompensa, com a finalidade de aumentar a compreensão da neurobiologia na base deste tipo de comportamentos automatizados. Para investigar de que forma é coordenada a libertação de DA no VMS e DLS durante o desenvolvimento de comportamentos habituais de procura de recompensa, um conjunto de ratos foi submetido a cirurgias de implantação de eléctrodos de fibra de carbono no VMS e no DLS. Posteriormente, os animais foram treinados para operar alavancas por forma a receber pellets de comida, e ainda sujeitos a paradigmas de previsão de recompensa. Não menos importante, durante o desenvolvimento de comportamento habitual, efectuou-se a monitorização dos níveis de DA através de voltametria cíclica de varrimento rápido ao longo do desenvolvimento do comportamento de procura de recompensa. Os nossos resultados demonstram que se conseguiu efectivamente estimular a formação de hábito num número considerável de animais, o que permitiu analisar de que forma o comportamento registado reflecte os diferentes níveis de DA obtidos nas regiões alvo. Além da detecção de picos distintos de DA no VMS e DLS durante as fases iniciais e tardias do treino comportamental, identificaram-se maiores concentrações de DA no DLS de animais que desenvolveram comortamentos habituais, em comparação com o VMS desses mesmos indivíduos, o que contribuiu para a confirmação da hipótese de estudo, suportada por outros trabalhos na área.

The prevailing theory on Dopamine (DA) function is based on the reward-related adaptive firing patterns of dopaminergic neurons throughout the midbrain, which is consistent with brain-wide reward prediction error signal pathways.Most of the brain dopamine can be found in the striatum, which receives topographically organized inputs from limbic, associative, and sensorimotor cortices that are critically modulated by dopamine projections originating from the midbrain.While it is generally accepted that learning about new rewarding stimuli relies on dopamine neurotransmission in the limbic ventromedial striatum (VMS), a growing body of evidence indicates that reward processing is not exclusively assigned to the VMS. Here, dopamine signalling is involved in the control of goal-directed behaviour, however this type of goal-dependent behaviour can undergo a transition into goal-independent or even automated behaviour, which is controlled by the sensorimotor dorsolateral striatum (DLS). In fact, recent studies have shown that both during the development of natural habits as well as addiction, the processing of reward seeking behaviour shifts from an initially goal-directed to automatic responding. These studies suggest that this shift in control over behaviour may be reflected in a shift in dopamine signalling from the VMS to the DLS. However, the mechanism and the timing of this shift in DA signalling during the development of drug addiction, as well as how such a development compares to seeking of natural rewards is unknown. In this sense, although there is no doubt that dopamine is indeed critical for reward learning and habit formation, its exact implications in these diverse brain regions remains unclear and requires further exploration.Therefore, the general aim of this project was to measure dopamine release in different functional domains of the striatum during behavioural paradigms for habit formation and reward seeking, with the intent of providing a better understanding of the neurobiology of automated behaviour. To investigate how DA release is coordinated in the VMS and DLS during the development of habitual seeking of natural rewards, a set of rats was subjected to surgery for carbon fiber electrode implantation into the VMS and DLS. Afterwards, they were trained to make an operant response (lever presses) in order to receive food pellets, as well as subjected to reward-prediction behaviour paradigms. Equally important to mention, throughout the development of reward seeking behaviour, Fast-Scan Cyclic Voltammetry (FSCV) recordings were performed in order to monitor changes in DA levels. Our results show that habit formation was successfully stimulated in a considerable number of animals, which allowed for the analysis of how observed behaviours reflect different levels of DA obtained in the target areas. Besides detecting distinct DA signals within the VMS and DLS across early and late stages of behavioural training, we identified higher concentrations of DA in the DLS of habitual animals, when comparing to the VMS, which contributed to the confirmation of the study hypothesis, supported by other research works in the field.