Cell-type specific neuronal manipulation of cortex and striatum during action selection

Abstract

As acções deixam-nos mais próximos de alcançar os objectivos que definimos, face a qualquer contexto que nos é apresentado. Escolher a mais apropriada, com base no contexto com que nos deparamos, é importante para melhorar as probabilidades de alcançarmos os nossos objetivos, enquanto a sua execução adequada é crucial para lidarmos eficientemente com as exigências que encontramos. Consequentemente, comportamento deliberado depende não só da habilidade de selecionar a ação mais indicada, mas também da sua adequada iniciação e execução. Os circuitos neuronais subjacentes a estes processos ainda não são totalmente compreendidos . O córtex motor primário (M1) e os gânglios basais (BG) são áreas neuronais que se pensa estarem envolvidas na geração de movimento, sendo o M1 o principal responsável pela atividade no maior núcleo da BG, o estriado. Especificamente, o M1 está principalmente ligado a funções que envolvem o controlo, planeamento e comando das ações a serem tomadas , enquanto o estriado é conhecido por estar essencialmente envolvido na iniciação e execução apropriadas de uma ação. Adicionalmente, é possível que o estriado exerça um papel no que diz respeito à seleção da ação a ser executada, dada a extensão das suas características anatómicas que coincidem com grande parte dos requisitos para a performance do processo de seleção de uma ação a um nível neuronal. Além disto, o M1 pode igualmente desempenhar um papel importante neste processo, como sugerido em modelos que propõem que a interação próxima entre esta região cortical e o estriado é essencial para realizar correctamente a selecção de acções. Em detalhe, é sugerido que o M1 providencie planos motores para o estriado (dos quais este selecciona o mais apropriado após avaliação), sendo que também integra BG feedback, o qual pode actualizar os planos motores previamente submetidos. No entanto, estudos que descrevam simultaneamente o efeito que a atividade do M1 e do estriado, em conjunto, possam ter neste processo e para a iniciação e execução de ações, ainda são escassos. Esta escassez impede a compreensão de quais estágios são resultado de que região. Para clarificar este tópico, o projecto desenvolvido para a minha tese de Mestrado ambiciona caracterizar o papel que o M1 e o estriado dorsolateral (DLS) possuem no controlo da iniciação, execução e selecção de uma acção. Para avaliar estes efeitos, realizámos experiências optogenéticas inibitórias, usando uma opsina inibitória de última geração, ao manipularmos o M1 e o DLS de ratinhos que realizaram uma tarefa probabilística de três escolhas alternativas. Por fim, a inibição do DLS antes da iniciação da ação levou a mudanças significativas nas ações selecionadas por ratinhos nas tentativas subsequentes, um efeito não observado após manipulação do M1. Globalmente, este estudo apresenta um caso sólido para o envolvimento do DLS na iniciação e seleção de uma ação, enquanto o timing apropriado para a execução de uma ação aparenta estar relacionada com atividade do M1.

Actions get us closer to accomplishing the goals we set, given any context that is presented to us. Choosing the most appropriate one, based on the context we encounter, is important for improving the odds of attaining our goals, while its proper execution is crucial to efficiently handle the requirements we face. Thus, purposive behavior depends not only on the ability to select the most suitable action, but also on its proper initiation and execution. The neuronal circuits underlying these processes are still not fully understood. The primary motor cortex (M1) and the basal ganglia (BG) are neuronal areas thought to be involved in the generation of movement, with the M1 being the main driver for activity in the largest BG input nucleus, the striatum. Specifically, M1 is mainly linked to functions involving the control, planning and commandment of the action to be exerted, while the striatum is known to be majorly involved in the proper initiation and execution of actions. Additionally, the striatum has been suggested to exert a role in what concerns the selection of the actions to be executed, since most of its anatomical features properly match the requirements for the performance of the action selection process at a neuronal level. Furthermore, the M1 may play an important role in this process as well, as suggested in models that propose that the close interaction between this cortical region and the striatum is essential to correctly perform the selection of actions. In detail, the M1 is suggested to provide motor plans to the striatum, from which the latter selects the more appropriate one after evaluation, while also integrating BG feedback, which may update the same motor plans previously submitted. However, studies simultaneously describing the effect that M1 and striatum, together, may have on this process and for the initiation and execution of actions, are still lacking. This scarcity prevents the comprehension of which stages are assigned to which region. To shed light on this topic, the project developed for my Master thesis aimed at characterizing the role that M1 and dorsolateral striatum (DLS) possess in the control of action initiation, execution and selection. To assess it, we performed inhibition optogenetic experiments, using a last generation inhibitory opsin, by manipulating M1 and DLS on mice performing a probabilistic three-alternative-choice task. Behavioral analysis assigned a delay on action initiation after DLS inhibition, while also revealing the involvement of M1 in the proper execution of the action. Finally, DLS inhibition prior to action initiation led to significant changes in the actions selected by mice in the subsequent trials, an effect not observed after M1 manipulation. Overall, this study presents a solid case for the involvement of DLS on both action initiation and selection, while the appropriate timing to execute an action seems to be linked to M1 activity.