Role of Insular Cortex Neurons Projecting to the Lateral Hypothalamus in Anxiety-Related Behaviors and Social Observation

Abstract

A valência emocional é o valor subjetivo atribuído a estímulos sensoriais. O facto de a capacidade de avaliação da valência estar diminuída em pacientes com patologias de ansiedade sugere fortemente uma sobreposição entre os circuitos neuronais que codificam a ansiedade e a valência. O cortex insular, ou insula, é uma região crucial na codificação da valência no cérebro dos mamíferos, e a sua atividade está aumentada em pacientes com patologias de ansiedade e em indivíduos saudáveis durante situações anxiogénicas. No entanto, ainda é desconhecido como é que a insula controla estas funções, e se existem populações seletivamente envolvidas na valência e/ou ansiedade. Entender os circuitos neuronais envolvidos na ansiedade, e como estes estão alterados em modelos animals de patologias relacionadas pode relevar alvos neuronais para novas abordagens terapêuticas. Neste contexto, decidimos estudar os neurónios que projetam do cortex insular anterior para o hipotálamo lateral (ICa-LH), uma região do cérebro que controla a resposta corporal na ansiedade, como o ritmo respiratório, a pressão sanguínea, e o ritmo cardíaco. Colocámos a hipótese de que os neurónios ICa-LH estão hiper-ativados em espaços anxiogénicos, em animais saudáveis. Para testar esta hipótese, utilizámos fotometria de fibra, um método de registo que permite medir a atividade neuronal de populações específicas, em murganhos, durante um conjunto de testes comportamentais relacionados com ansiedade e valência. Realizámos os testes de ansiedade clássicos elevated plus maze e open field test. Para avaliar a atividade neuronal na presença de estímulos de valência positiva, executámos os testes de alimento, água, e sacarose num novo ambiente. Finalmente, realizámos testes de valência negativa: plataforma quente e looming. Descobrimos que a atividade dos neurónios ICa-LH estava diminuída quando os animais estavam na presença de uma recompensa, mas apenas em espaços anxiogénicos. Isto sugere que esta população participa na codificação da sobreposição entre o instinto de aproximação à recompensa, e o instinto de evasão de um espaço novo (anxiogénico), visto que a sub-ativação ocorre apenas quando ambos os componentes estão presentes. Também descobrimos que a atividade neuronal ICa-LH não estava aumentada em espaços anxiogénicos, nos testes de ansiedade clássicos, sugerindo que estes neurónios não são relevantes para o papel global do cortex insular anterior na ansiedade. Não observámos alterações da atividade nos testes de valência negativa. Visto que poucos dados foram recolhidos, não são suficientes para afirmar que estes neurónios não têm um papel na codificação da valência negativa, em geral. Para melhorar os nossos resultados, precisaríamos de realizar mais experiências utilizando estímulos de valência negativa. De modo a verificar se os neurónios ICa-LH estão causalmente envolvidos no conflito interno entre o instinto de aproximação a um estímulo de valência positiva e o instinto de evasão de um novo espaço, necessitaríamos de realizar experiências de optogenética. Esperamos que a inibição desta população induza um aumento no comportamento de procura de recompensa.Propomos que os neurónios ICa-LH estão envolvidos no reconhecimento de estímulos de valência positiva, em conjugação com estímulos anxiogénicos. Este contexto comportamental poderá ser um potencial alvo de estudo em condições fisiopatológicas. Podemos postular que os neurónios ICa-LH modulam como os estímulos de valência positiva são percecionados em espaços anxiogénicos, ou que a ansiedade é modulada pela presença de estímulos de valência positiva. Visto que a ansiedade e a valência têm um papel importante nas interações sociais, também estudámos a população ICa-LH durante observação social. Neurónios espelho são células que disparam quando um indivíduo realiza uma determinada ação, e quando observa outro indivíduo a realizar a mesma ação. Estas células foram identificadas em humanos e macacos, em várias regiões cerebrais, incluindo o cortex insular. No entanto, a existência de atividade de espelho no cérebro de roedores ainda está em debate. Para abordar esta questão, aplicámos um protocolo comportamental de observação social e realizámos registos preliminares. A nossa hipótese era que os neurónios ICa-LH teriam atividade de espelho, mas os nossos resultados preliminares indicaram o contrário. Contudo, para termos a certeza de que esta população não tem atividade de espelho, a experiência deveria ser repetida, idealmente com um método de registo de células individuais.Este estudo define os neurónios ICa-LH como um possível substrato neuronal para a codificação de estímulos de valência positiva em contextos anxiogénicos, e exclui a possibilidade de que esta população neuronal contribua para a hiper-ativação do cortex insular anterior em situações de elevada ansiedade.

Emotional valence is the subjective value assigned to sensory stimuli. The fact that valence assessment is disrupted in anxiety disorders patients strongly suggests an overlap between the neuronal circuits encoding valence and anxiety. The insular cortex, or insula, is a crucial region for valence encoding in the mammalian brain, and its activity is increased in anxiety-disorder patients and in healthy individuals during high anxiety situations. However, it remains elusive how the insula controls these functions and whether selective populations are involved in valence and/or anxiety. Understanding the neuronal circuits involved in anxiety and how they are disrupted in animal models of anxiety disorders can provide neuronal targets for new therapeutic approaches. In this regard, we decided to study the neuron population that project from the anterior insular cortex to the lateral hypothalamus (ICa-LH), a brain region controlling bodily response in anxiety such as respiratory rate, blood pressure and heart rate. We hypothesized that the ICa-LH neurons are hyper activated in anxiogenic spaces, in healthy animals. To test this hypothesis, we used fiber photometry, a recording method allowing to measure the neuronal activity of specific populations in mice, during a range of anxiety- and valence-related behavioral tests. We performed the classical anxiety tests elevated plus maze and open field test. To evaluate the neural activity in the presence of positive valence stimuli, we performed the food, water and sucrose in new environment tests. Finally, we performed the negative valence tests: hot plate and looming. Interestingly, we found that the activity of ICa-LH neurons was decreased when the animal was in presence of a reward, but only in an anxiogenic space. This suggests that this population participates to encode the overlap between the instinct to approach a reward and the instinct to avoid a new (anxiogenic) space, as the under activation only occurs when both components are present. We also found that the ICa-LH neuronal activity was not increased in anxiogenic spaces, in the classical anxiety tests, suggesting that these neurons are not relevant for the general role of the ICa in anxiety. We did not observe changes in activity in the negative valence tests. Since few data was collected, it is not sufficient to claim that these neurons do not have a role in negative valence encoding in general. To strengthen our results, we would need to perform more experiments using negative valence stimuli. In order to verify if the ICa LH neurons are causally involved in the internal conflict between the instinct to approach a positive valence stimulus and the instinct to avoid a new space, we would need to perform optogenetic experiments. We expect that inhibition of this population’s activity induces an increase in reward-seeking behavior. We propose that the ICa-LH neurons are involved in the recognition of positive valence stimuli, in conjugation with anxiogenic stimuli. This behavioral context could be a potential target to study in physiopathology conditions. We can postulate that the ICa-LH neurons modulate how the positive valence stimuli are perceived in anxiogenic spaces, or how anxiety levels are modulated by the presence of positive valence stimuli.As anxiety and valence play an important role in social interactions, we also studied the ICa LH population during social observation. Mirror neurons are cells that fire when an individual performs a certain action, and when this individual sees another one performing the same action. These cells have been identified in humans and monkeys, in several brain regions, including the anterior insula in social contexts. However, the existence of mirror like activity in the rodents’ brain is still under debate. To address this question, we applied a social observation behavior protocol and performed preliminary recordings. Our hypothesis was that the ICa-LH neurons would show mirror like activity, but our preliminary results indicated otherwise. However, to be certain that this population does not have mirror-like activity, the experiment should be replicated, ideally with a single-cell recording method. This study defines the ICa-LH neurons as a possible neuronal substrate for encoding positive valence stimuli in anxiogenic contexts, and excludes the possibility that such neuronal population is contributing to the general hyper activation of the anterior insula during high anxiety situations.