Endogenous opioid signaling in the Nucleus Accumbens in motivated behaviors

Abstract

O núcleo accumbens (NAc) é uma região cerebral central na codificação de comportamentos de motivação. É composto maioritariamente por neurónios espinhosos médios (MSNs) GABAérgicos que expressam o recetor de dopamina D1 e o opioide endógeno dinorfina, ou o D2 e o opioide endógeno encefalina. Evidências recentes elucidam o papel complexo destes neuropéptidos no NAc na mediação da recompensa e da aversão, no entanto, a falta de ferramentas apropriadas para a sua deteção dificultava a sua medição em tempo real durante o comportamento. Nesta tese, utilizámos sensores fluorescentes de opioides recentemente desenvolvidos para registar a dinâmica temporal de libertação destes neuropéptidos no NAc core durante processos de aprendizagem associativa em murganhos. Para investigar a importância da dinorfina, usamos a metodologia CRISPR-Cas9 para abolir seletivamente a sua produção e avaliar o impacto desta manipulação no comportamento. Os nossos dados mostram que, durante condicionamento pavloviano apetitivo, há libertação de dinorfina e encefalina de uma forma dinâmica no NAc core ao longo da aprendizagem. A dinorfina apresenta diminuições sustentadas à pista ao longo do condicionamento, enquanto a encefalina inicialmente sinaliza a pista e ao longo do condicionamento transfere a resposta para o consumo da recompensa. No condicionamento pavloviano aversivo, no dia do condicionamento, a encefalina aumenta em resposta à pista e a dinorfina não. No momento de administração do choque elétrico ligeiro na pata, os dois neuromoduladores apresentaram padrões opostos: os níveis de dinorfina diminuem enquanto os de encefalina aumentam. Durante a omissão, a dinorfina aumentou na omissão do choque, sugerindo um possível papel na sinalização do erro. Na fase de extinção do choque, as dinâmicas da encefalina aumentam para a pista, sugerindo um papel potencial na atualização da informação do circuito. Relativamente à transferência pavlovianainstrumental (PIT), apesar da aquisição comportamental robusta, a dinorfina apresenta dinâmicas relevantes nas pistas pavlovianas iniciais e nas respostas operantes às recompensas, mas sem efeito principal na transferência. Relativamente às experiências com CRISPR-Cas9, uma vez que a análise molecular não revelou uma redução significativa nos níveis de dinorfina, os resultados permanecem inconclusivos. Em suma, os nossos resultados revelam que a dinorfina e a encefalina são libertadas durante aprendizagem associativa no NAc core, mas serão necessários estudos futuros para desvendar o seu papel preciso dentro da informação do circuito.

The nucleus accumbens (NAc) is a crucial brain region for encoding reward processing and motivated behavior. The NAc is mostly composed of GABAergic medium spiny neurons (MSNs) expressing either dopamine receptor D1 and the endogenous opioid dynorphin, or D2 and the endogenous opioid enkephalin. Emerging studies provide new evidence about the complex role of these neuropeptides in reward and aversion processing in the NAc; however, the lack of appropriate tools to measure their release hindered real-time measurement of their dynamics during behavior. In this thesis, we used newly developed fluorescence opioid sensors to record temporally- resolved dynorphin and enkephalin dynamics in the NAc core during the execution of associative learning tasks. To investigate the contribution of dynorphin for behavior, we employed CRISPR-Cas9 targeting pro-dynorphin in the NAc core, to selectively diminish the production of this neuropeptide and assessed its impact on motivated behaviors. Our data shows that dynorphin is released in a dynamic manner in the NAc core during an appetitive Pavlovian conditioning. We observe a decrease in dynorphin to the cue throughout conditioning, while enkephalin is released during early cue presentations shifting its response to reward consumption in later learning days. Regarding aversive Pavlovian, on the conditioning day, enkephalin increases at cue onset, but not dynorphin. At foot shock delivery, the two neuromodulators present opposite patterns, with dynorphin levels decreasing while enkephalin levels increase. During foot shock omission, dynorphin (but not enkephalin) increases at outcome omission, directing to a possible role in error signaling. By late extinction, enkephalin dynamics increases at cue onset, suggesting a potential role in the circuit’s information update. Regarding Pavlovian-to-instrumental transfer (PIT), despite robust behavior acquisition, dynorphin presents relevant dynamics in earlier Pavlovian associations and operant responses to rewards, but no main effect in the transfer. Regarding the CRISPR-Cas9 experiments, since molecular analysis was not clear in showing dynorphin deletions, no conclusive results can be made. In sum, our results reveal dynorphin and enkephalin are released in the NAc core function during associative learning, but future studies are necessary to unravel their precise role within this brain region.