Identification and manipulation of brain-wide fear memory traces

Abstract

Alterações da aprendizagem do medo são um forte componente comportamental dos transtornos de ansiedade, como a Perturbação de Stress Pós-Traumático (PTSD). Terapias de exposição para PTSD levam à extinção do medo, uma redução progressiva na resposta de medo com repetidas exposições seguras aos estímulos condicionados. Esforços recentes tentaram combinar terapias de exposição com fármacos que visam a reativação e a reconsolidação da memória de medo, para melhorar a eficácia do tratamento. No primeiro estudo, investiguei como o propranolol, um antagonista β-adrenérgico não seletivo, altera a recuperação de memórias de condicionamento contextual de medo (CFC). Utilizámos um sistema de marcação dependente de atividade, murganhos ArcCreERT2 x proteína fluorescente amarela aprimorada (eYFP), para marcar as células ativas durante o CFC e durante a recuperação, e desenvolvemos um protocolo de contagem e registo de células para quantificar a atividade no hipocampo (HPC), amígdala (AMG) e córtex pré-frontal (PFC). Encontrámos diminuição da expressão de medo apenas quando o propranolol foi administrado antes de uma reexposição tardia. O propranolol alterou agudamente a reativação do traço de memória do medo no giro denteado dorsal (dDG) e na amígdala basolateral (BLA), e a conectividade funcional entre o HPC, PFC e AMG. Num segundo estudo, investigámos se o propranolol alterou a atividade no hilo, uma camada polimórfica do DG. O propranolol reduziu agudamente a atividade no hilo dorsal e ventral e alterou a atividade das células de parvalbumina (PV) no DG ventral (vDG). Estes estudos contribuem para a compreensão do papel da sinalização noradrenérgica na reativação do medo condicionado. Num terceiro estudo, utilizámos murganhos ArcCreERT2 x eYFP e o protocolo de contagem, para investigar as alterações em todo o cérebro na conectividade funcional e na reativação de engramas subjacentes ao condicionamento e à extinção do medo. O CFC leva ao aumento da conectividade funcional de regiões da AMG e do hipotálamo. A extinção leva a uma descentralização da rede de memória do medo e desengaja o tálamo e a AMG estriatal. Encontrámos conectividade funcional alterada em regiões conhecidas por participar na memória e extinção de CFC, e identificámos novas regiões cerebrais envolvidas nesses processos. Este trabalho aumenta a compreensão dos fundamentos neurais da extinção do medo e fornece caminhos para novas experiências.

Altered fear learning is a strong behavioral component of anxiety disorders such as posttraumatic stress disorder (PTSD). Exposure therapies for PTSD lead to fear extinction, a progressive reduction in the fear response with repeated safe exposures to the conditioned stimuli. Recent efforts have attempted to combine exposure therapies with drugs that target fear memory retrieval and memory reconsolidation, to improve treatment efficacy. In the first study, I investigated how propranolol, a non-selective β adrenergic antagonist, alters retrieval of contextual fear conditioning (CFC) memories. We utilized an activity-dependent tagging system, ArcCreERT2 x enhanced yellow fluorescent protein (eYFP) mice, to tag the cells active during CFC and during retrieval, and we developed a cell counting and registration pipeline to quantify activity in the hippocampus (HPC), amygdala (AMG) and prefrontal cortex (PFC). We found decreased fear expression only when propranolol was administered before a delayed reexposure. Propranolol acutely altered fear memory trace reactivation in the dorsal dentate gyrus (dDG) and basolateral amygdala (BLA), and functional connectivity between the HPC, PFC and AMG. In a second study we investigated whether propranolol additionally altered activity in the hilus, a polymorphic layer of the DG. Propranolol acutely reduced overall hilar activity in both the dorsal and ventral hilus, and significantly altered the activity of parvalbumin (PV) cells in the ventral DG (vDG). Together, these studies contribute to the understanding of noradrenergic signaling and the mechanisms of acute reduction in retrieval of learned fear with propranolol. In a third study, we utilized the ArcCreERT2 x eYFP mice and the validated brain-wide segmentation and registration pipeline to investigate brain-wide changes in functional connectivity and engram reactivation underlying fear learning and extinction. We found that fear learning leads to increased functional connectivity of amygdalar and hypothalamic regions. Extinction leads to a decentralization of the fear memory network and disengages the thalamus and striatal amygdala. We found altered functional connectivity in regions known to participate in CFC memory and extinction, and identified novel brain regions that may be involved in these processes. This work greatly enhances our understanding of the neural underpinnings of fear extinction and provides avenues for further experimentation.