Investigating the neuronal ensembles encoding valence in the Laterodorsal Tegmentum

Abstract

Diariamente, os indivíduos filtram a informação sensorial do ambiente que os rodeia. A atribuição de valência permite aos mamíferos concentrarem-se em estímulos salientes ao determinar se estes são recompensadores e devem ser abordados ou se são aversivos, e devem ser evitados, de forma a prosperarem e sobrevirem. O processo ativo de codificação de valência é gerado pelo sistema límbico que o traduz numa reação fisiológica e/ou comportamental. Uma pequena estrutura do tronco cerebral, o núcleo tegmental dorso-lateral (LDT), tem ganho atenção devido ao seu papel em diversos comportamentos relacionados com recompensa e aversão. O LDT é um núcleo heterogéneo sendo composto maioritariamente por células glutamatérgicas, colinérgicas e GABAérgicas. O seu papel no circuito de recompensa/aversão foi inicialmente associado ao controlo de células dopaminérgicas da área tegmental ventral (VTA). Recentemente, o nosso grupo descobriu projeções para outro elemento importante deste circuito, o núcleo accumbens (NAc). Há algumas evidências que o LDT responde a vários estímulos de valência positiva e negativa. Contudo, não se sabe ao certo que populações codificam valência e se estas populações apresentam um baixo ou alto grau de sobreposição/segregação. Nesta dissertação, avaliámos a ativação neuronal no LDT, através de marcação de c-Fos, associados a estímulos de valência negativa (choque na pata) ou positiva (cocaína ou sacarose). Depois, usando o modelo de murganho TRAP2 (Fos 2A-iCreERT2), comparamos os grupos neuronais recrutados por dois eventos com valência temporalmente distintos no LDT. Utilizando o modelo, também realizamos ativação optogenética de neurónios do LDT responsivos a estímulos positivos ou negativos. Adicionalmente, analisamos anatomicamente a inervação do NAc pelas populações neuronais responsivas a estímulos provenientes do LDT. Os nossos dados mostram que o LDT contém populações neuronais que respondem ao choque, cocaína ou sacarose, medido por uma maior densidade de células c-Fos+. Comparando os grupos neuronais, verificamos que o choque e a cocaína recrutaram maioritariamente populações celulares distintas no LDT. Adicionalmente, a ativação optogenética dos neurónios do LDT ativados por choque ou cocaína nos testes de real time place preference (RTPP) ou conditioned place preference (CPP) foi inconclusiva. Por último, as células do LDT responsivas a cocaína não mostraram inervação preferencial para nenhuma das sub-regiões do NAc. No entanto, as células do LDT responsivas a choque projetaram preferencialmente para a sub-região posterior do NAc shell. Estes resultados demonstram que o LDT é um participante ativo na atribuição de sinais de valência que podem revelar princípios fundamentais sobre o processamento emocional.

Individuals must filter the overwhelming environmental sensory information that every day surrounds them. Assigning affective valence allows mammalians to focus on salient stimuli by determining whether they are rewarding and should be approached or are aversive and should be avoided, in order to thrive and survive. The active process of valence encoding is generated by the brain’s limbic system that translates it, ultimately, in a physiological and/or behavioral reaction. A small brainstem structure, the laterodorsal tegmental nucleus (LDT), has gained much attention in recent years due to its prominent role in a myriad of reward- and aversion-related behaviors. The LDT is a heterogeneous nucleus, being mainly composed by glutamatergic, cholinergic and GABAergic cells. Its role in the reward/aversion circuitry was initially attributed to the influence of this region on midbrain dopaminergic cells of the ventral tegmental area (VTA). However, recently, our group found direct projections from the LDT to another important player of the circuit, the nucleus accumbens (NAc). Moreover, there is sparse evidence showing that the LDT responds to several positive- and negative-valence stimuli. However, it is not known which neuronal populations encode valence and if these populations are segregated or overlap. In this thesis we studied cell activation following negative- (footshock) and positive-valence stimuli (cocaine and sucrose) in the LDT using c-Fos immunolabelling. Then, using the TRAP2 (Fos 2A-iCreERT2) mouse model, we evaluated in the same subject the neuronal ensembles activated by temporally distinct valence containing events. Using this model, we also performed optogenetic activation of positive or negative stimulus-responsive neurons in the LDT. Furthermore, we analyzed the pattern of NAc innervation of these LDT responsive ensembles. Our data shows that the LDT contains neuronal populations that respond to shock, cocaine or sucrose, measured by a higher c-Fos+ cell density in comparison to controls. Analyzing the responsive ensembles, we verified that shock and cocaine recruited mainly distinct cell populations in the LDT. The assessment of behavioral phenotype in the real time place preference (RTPP) or conditioned place preference (CPP) tasks to optogenetic activation of footshock- or cocaine-responsive neurons in the LDT was inconclusive. The NAc innervation analysis revealed that cocaine-responsive cells do not appear preferentially innervate different subregions of the NAc. Conversely, shock-responsive LDT cells projected preferentially to the posterior shell subregion of the NAc. These results provide evidence that the LDT is an active participant in assignment of valence signals that could reveal fundamental principles about emotional processing.