Publicação

Investigating the role of anterior ventro-lateral striatum direct pathway neurons in instrumental licking behaviour of mice using optogenetics in an operant behavioural task

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O movimento permite ao indivíduo interagir e reagir ao ambiente envolvente: desde cílios em bactérias, aos estomas em plantas, e finalmente, redes neurais complexas em animais. Durante o processo evolutivo, o desenvolvimento de um sistema nervoso central - um avanço significativo desde a rede neural difusa nos cnidários - serviu não apenas para integrar informação recolhida por órgãos sensoriais cada vez mais sofisticados, mas também para gerar comportamentos complexos que permitissem uma vantagem adaptativa ao indivíduo. No seu dia a dia um animal depara-se com numerosas situações, por vezes repetidas, e noutras inesperadas, pelo que a capacidade de aprendizagem de comportamentos distintos é vantajosa para a sua sobrevivência. Adquirir e aprender estas acções intencionais é conseguido através da integração de circuitos sensoriais e motores que permitem a modulação e evolução dinâmicas dessas acções, com base nas suas consequências (rácio custo-benefício). Após a exposição e prática repetidas deste processo de aprendizagem, o resultado obtido é a criação de repertórios de acções que serão depois usadas no desempenho da tomada de decisões: a selecção da acção. Ao seleccionar uma acção, para qualquer circunstância e dentro de certos contextos, este repertório de informação é utilizado para salientar a acção a executar mais apropriada de uma variedade de alternativas possíveis. Contudo, uma mesma acção pode ter diferentes resultados a si associados, e recompensas com diferentes valores, dependendo do contexto em que é aplicada. Daí, a capacidade de reconhecer contextos diferentes é fundamental para a implementação de comportamentos bem sucedidos. Pensa-se que esta contextualização é levada a cabo por áreas do cérebro tais como o hipocampo e o córtex orbitofrontal, assim como por outros circuitos presentes nos gânglios da base. Ainda assim, aprender e seleccionar as acções apropriadas para determinados contextos são apenas os primeiros passos na produção motora. É necessário que o sistema nervoso central opere de modo a implementar as acções selecionadas - a execução da acção - através de padrões de contracção muscular específicos, e com precisão temporal e espacial. A produção de movimento é obtida através da ligação de sequências (chunks (pedaços) ou “frases”) de elementos de movimentos mais simples (primitivas motoras ou “sílabas”), de modo a atingir um programa motor unificado - uma acção - e a executar uma tarefa. Pensa-se que diferentes circuitos e grupos de células estarão implicados nas diferentes fases da produção de um movimento. Os gânglios da base são um grupo de estruturas que estabelecem ligações com áreas que incluem o córtex, o tálamo e outras regiões motoras descendentes, e desempenham um papel na acção da selecção e na produção motora. Estas estruturas, que se localizam abaixo do córtex, são conservadas em todos os vertebrados e têm uma posição privilegiada para integrar informação e de seguida a retransmitir para vias motoras descendentes. Os gânglios da base estão organizados em áreas diferentes que possuem entradas e saídas axoniais distintas, assim como padrões de expressão génica específicos (ex. receptores dopaminérgicos D1/D2) - que permitem a integração e o processamento de informação relevante necessária à selecção e execução de movimentos específicos. No estriado - a mais proeminente estrutura nos gânglios da base - as vias estriadonigral e estriado-palidal trabalham em conjunto para, respectivamente, facilitar ou suprimir uma acção com base no contexto e aprendizagens passadas. Em específico, a região anterior do estriado ventro-lateral (aVLS) foi implicada no controlo do movimento orofacial. O modo como este controlo é obtido e qual é o papel das vias estriado-nigral e estriado-palidal no movimento orofacial voluntário é ainda pouco compreendido. Neste estudo, investigámos como os inputs estriatais na substância nigra pars reticulata (via estriado-nigral) afectam o movimento orofacial em murganhos com recurso à técnica de manipulação optogenética e utilizando uma tarefa comportamental operante de cabeça fixa dependente do olfacto. A técnica utilizada, desenvolvida por Karl Deisseroth por volta do ano 2005, permite manipular alvos com especificidade ao nível celular - quer em tecido como em animais vivos - e controlar a actividade eléctrica celular com precisão espaço-temporal. A utilização deste procedimento em neurociência significa que é possível despolarizar ou hiperpolarizar um conjunto de neurónios específicos, numa determinada localização do cérebro, com grande precisão temporal, e em circuitos neurais intactos de animais vivos e com comportamento livre. Para a aplicação da técnica de neuromodulação optogenética, injectámos bilateralmente 8 murganhos da linha transgénica D1-Cre com um vector viral para a expressão de uma opsina na região aVLS, e de seguida implantámos fibras ópticas no mesmo local. Depois, os animais foram treinados na tarefa comportamental, em 4 ensaios, nos quais aprenderam a associar 4 odores diferentes com as suas respectivas consequências: a) o odor “go”, associado à acção de lamber para receber uma recompensa, b) o odor “nogo” associado à supressão da acção de lamber para evitar uma punição, c) o odor “wait” associado à supressão da acção de lamber para receber uma recompensa mais atrasada e d) o odor “neutral”, ao qual não foi associada nenhuma consequência, independentemente do comportamento do animal. Após 25-45 sessões de treino para aprendizagem dos 4 tipos de ensaio, os animais foram submetidos a manipulação optogenética com diferentes frequências de estimulação (2Hz, 5HZ e 10Hz) e foi medida a frequência de lambidelas (protrusões de língua). Confirmámos que a estimulação optogenética das populações estriado-nigrais desta área do estriado provocam movimentos orofaciais. Verificámos que a estimulação nas várias frequências utilizadas tem maior efeito na iniciação da acção de lamber, e não tanto no prolongamento da acção. Vimos também que, para a frequência de estimulação de 10Hz, o animal lambe para beber água em todos os ensaios, mesmo naqueles em que aprendeu a reprimir o comportamento de lamber. Para o ensaio “go”, foi observado que a estimulação das células estriado-nigrais reduz a velocidade de reacção e aumenta o comportamento antecipatório dos murganhos. Mais ainda, foi detectada uma diferença entre os ensaios “nogo” e “wait” - nos quais o animal aprende a reprimir a acção de lamber -sendo que para os ensaios “nogo” é necessária uma frequência de estimulação mais elevada para despoletar a iniciação da acção (10Hz) enquanto que no ensaio “wait” as frequências de 2Hz e 5Hz foram suficientes para aumentar a iniciação da acção. Em suma, a modulação optogenética da população neural estriado-nigral da região aVLS conduziu à produção de movimento orofacial em murganhos, de um modo que é dependente da fase de execução movimento e do contexto em que a acção é aplicada. Sendo que há muito ainda desconhecido sobre a anatomia dos circuitos dos gânglios da base e a sua respectiva funcionalidade, mais estudos serão necessários para compreender a conectividade entre estes diferentes núcleos cerebrais, e o seu papel na selecção de acções, aprendizagem, contextualização e função motora. Uma vez que neste estudo mostrámos que este circuito pode ser modulado por contextos aprendidos, seria interessante estudar a actividade desta população ao longo do processo de aprendizagem de uma tarefa, e compreender se esta população neuronal - que parece estar implicada na iniciação de uma acção - estará mais activa numa fase mais cedo da aprendizagem. Este estudo teve como foco a produção de movimentos orofaciais. Porém, é possível que outros movimentos paralelos estejam a ser produzidos durante a estimulação optogenética desta região, tanto a nível corporal como a nível facial, pelo que se poderia investigar esta possibilidade para, potencialmente, compreender se existe um gradiente de funcionalidade motora nestas regiões, e os seus movimentos distintos associados.
Autores principais:	Oliveira, Sara Cristina Baía de
Assunto:	Gânglios da base Selecção de acções Estriado Comportamento Circuitos Teses de mestrado - 2024
Ano:	2024
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	O movimento permite ao indivíduo interagir e reagir ao ambiente envolvente: desde cílios em bactérias, aos estomas em plantas, e finalmente, redes neurais complexas em animais. Durante o processo evolutivo, o desenvolvimento de um sistema nervoso central - um avanço significativo desde a rede neural difusa nos cnidários - serviu não apenas para integrar informação recolhida por órgãos sensoriais cada vez mais sofisticados, mas também para gerar comportamentos complexos que permitissem uma vantagem adaptativa ao indivíduo. No seu dia a dia um animal depara-se com numerosas situações, por vezes repetidas, e noutras inesperadas, pelo que a capacidade de aprendizagem de comportamentos distintos é vantajosa para a sua sobrevivência. Adquirir e aprender estas acções intencionais é conseguido através da integração de circuitos sensoriais e motores que permitem a modulação e evolução dinâmicas dessas acções, com base nas suas consequências (rácio custo-benefício). Após a exposição e prática repetidas deste processo de aprendizagem, o resultado obtido é a criação de repertórios de acções que serão depois usadas no desempenho da tomada de decisões: a selecção da acção. Ao seleccionar uma acção, para qualquer circunstância e dentro de certos contextos, este repertório de informação é utilizado para salientar a acção a executar mais apropriada de uma variedade de alternativas possíveis. Contudo, uma mesma acção pode ter diferentes resultados a si associados, e recompensas com diferentes valores, dependendo do contexto em que é aplicada. Daí, a capacidade de reconhecer contextos diferentes é fundamental para a implementação de comportamentos bem sucedidos. Pensa-se que esta contextualização é levada a cabo por áreas do cérebro tais como o hipocampo e o córtex orbitofrontal, assim como por outros circuitos presentes nos gânglios da base. Ainda assim, aprender e seleccionar as acções apropriadas para determinados contextos são apenas os primeiros passos na produção motora. É necessário que o sistema nervoso central opere de modo a implementar as acções selecionadas - a execução da acção - através de padrões de contracção muscular específicos, e com precisão temporal e espacial. A produção de movimento é obtida através da ligação de sequências (chunks (pedaços) ou “frases”) de elementos de movimentos mais simples (primitivas motoras ou “sílabas”), de modo a atingir um programa motor unificado - uma acção - e a executar uma tarefa. Pensa-se que diferentes circuitos e grupos de células estarão implicados nas diferentes fases da produção de um movimento. Os gânglios da base são um grupo de estruturas que estabelecem ligações com áreas que incluem o córtex, o tálamo e outras regiões motoras descendentes, e desempenham um papel na acção da selecção e na produção motora. Estas estruturas, que se localizam abaixo do córtex, são conservadas em todos os vertebrados e têm uma posição privilegiada para integrar informação e de seguida a retransmitir para vias motoras descendentes. Os gânglios da base estão organizados em áreas diferentes que possuem entradas e saídas axoniais distintas, assim como padrões de expressão génica específicos (ex. receptores dopaminérgicos D1/D2) - que permitem a integração e o processamento de informação relevante necessária à selecção e execução de movimentos específicos. No estriado - a mais proeminente estrutura nos gânglios da base - as vias estriadonigral e estriado-palidal trabalham em conjunto para, respectivamente, facilitar ou suprimir uma acção com base no contexto e aprendizagens passadas. Em específico, a região anterior do estriado ventro-lateral (aVLS) foi implicada no controlo do movimento orofacial. O modo como este controlo é obtido e qual é o papel das vias estriado-nigral e estriado-palidal no movimento orofacial voluntário é ainda pouco compreendido. Neste estudo, investigámos como os inputs estriatais na substância nigra pars reticulata (via estriado-nigral) afectam o movimento orofacial em murganhos com recurso à técnica de manipulação optogenética e utilizando uma tarefa comportamental operante de cabeça fixa dependente do olfacto. A técnica utilizada, desenvolvida por Karl Deisseroth por volta do ano 2005, permite manipular alvos com especificidade ao nível celular - quer em tecido como em animais vivos - e controlar a actividade eléctrica celular com precisão espaço-temporal. A utilização deste procedimento em neurociência significa que é possível despolarizar ou hiperpolarizar um conjunto de neurónios específicos, numa determinada localização do cérebro, com grande precisão temporal, e em circuitos neurais intactos de animais vivos e com comportamento livre. Para a aplicação da técnica de neuromodulação optogenética, injectámos bilateralmente 8 murganhos da linha transgénica D1-Cre com um vector viral para a expressão de uma opsina na região aVLS, e de seguida implantámos fibras ópticas no mesmo local. Depois, os animais foram treinados na tarefa comportamental, em 4 ensaios, nos quais aprenderam a associar 4 odores diferentes com as suas respectivas consequências: a) o odor “go”, associado à acção de lamber para receber uma recompensa, b) o odor “nogo” associado à supressão da acção de lamber para evitar uma punição, c) o odor “wait” associado à supressão da acção de lamber para receber uma recompensa mais atrasada e d) o odor “neutral”, ao qual não foi associada nenhuma consequência, independentemente do comportamento do animal. Após 25-45 sessões de treino para aprendizagem dos 4 tipos de ensaio, os animais foram submetidos a manipulação optogenética com diferentes frequências de estimulação (2Hz, 5HZ e 10Hz) e foi medida a frequência de lambidelas (protrusões de língua). Confirmámos que a estimulação optogenética das populações estriado-nigrais desta área do estriado provocam movimentos orofaciais. Verificámos que a estimulação nas várias frequências utilizadas tem maior efeito na iniciação da acção de lamber, e não tanto no prolongamento da acção. Vimos também que, para a frequência de estimulação de 10Hz, o animal lambe para beber água em todos os ensaios, mesmo naqueles em que aprendeu a reprimir o comportamento de lamber. Para o ensaio “go”, foi observado que a estimulação das células estriado-nigrais reduz a velocidade de reacção e aumenta o comportamento antecipatório dos murganhos. Mais ainda, foi detectada uma diferença entre os ensaios “nogo” e “wait” - nos quais o animal aprende a reprimir a acção de lamber -sendo que para os ensaios “nogo” é necessária uma frequência de estimulação mais elevada para despoletar a iniciação da acção (10Hz) enquanto que no ensaio “wait” as frequências de 2Hz e 5Hz foram suficientes para aumentar a iniciação da acção. Em suma, a modulação optogenética da população neural estriado-nigral da região aVLS conduziu à produção de movimento orofacial em murganhos, de um modo que é dependente da fase de execução movimento e do contexto em que a acção é aplicada. Sendo que há muito ainda desconhecido sobre a anatomia dos circuitos dos gânglios da base e a sua respectiva funcionalidade, mais estudos serão necessários para compreender a conectividade entre estes diferentes núcleos cerebrais, e o seu papel na selecção de acções, aprendizagem, contextualização e função motora. Uma vez que neste estudo mostrámos que este circuito pode ser modulado por contextos aprendidos, seria interessante estudar a actividade desta população ao longo do processo de aprendizagem de uma tarefa, e compreender se esta população neuronal - que parece estar implicada na iniciação de uma acção - estará mais activa numa fase mais cedo da aprendizagem. Este estudo teve como foco a produção de movimentos orofaciais. Porém, é possível que outros movimentos paralelos estejam a ser produzidos durante a estimulação optogenética desta região, tanto a nível corporal como a nível facial, pelo que se poderia investigar esta possibilidade para, potencialmente, compreender se existe um gradiente de funcionalidade motora nestas regiões, e os seus movimentos distintos associados.