Een nieuw Pavloviaans angstconditioneringsparadigma om bevriezing en vlieggedrag te bestuderen
Summary
Defensieve gedragsreacties zijn afhankelijk van dreigingsintensiteit, nabijheid en context van blootstelling. Op basis van deze factoren ontwikkelden we een klassiek conditioneringsparadigma dat duidelijke overgangen oproept tussen geconditioneerd bevriezing en vlieggedrag binnen individuele onderwerpen. Dit model is cruciaal voor het begrijpen van de pathologieën die betrokken zijn bij angst, paniek en posttraumatische stressstoornissen.
Abstract
Angst- en angstgerelateerd gedrag draagt aanzienlijk bij aan het voortbestaan van een organisme. Overdreven defensieve reacties op waargenomen dreiging zijn echter kenmerkend voor verschillende angststoornissen, die de meest voorkomende vorm van psychische aandoeningen in de Verenigde Staten zijn. Het ontdekken van de neurobiologische mechanismen die verantwoordelijk zijn voor defensief gedrag zal helpen bij de ontwikkeling van nieuwe therapeutische interventies. Pavloviaanse angstconditionering is een veelgebruikt laboratoriumparadigma om angstgerelateerd leren en geheugen te bestuderen. Een belangrijke beperking van traditionele Pavloviaanse angstconditioneringsparadigma’s is dat bevriezing het enige defensieve gedrag is dat wordt gecontroleerd. We hebben onlangs een aangepast Pavloviaans angstconditioneringsparadigma ontwikkeld dat ons in staat stelt om zowel geconditioneerd bevriezing als vluchtgedrag (ook bekend als ontsnappingsgedrag) binnen individuele proefpersonen te bestuderen. Dit model maakt gebruik van voetshocks met een hogere intensiteit en een groter aantal koppelingen tussen de geconditioneerde stimulus en ongeconditioneerde stimulus. Bovendien maakt dit geconditioneerde vluchtparadigma gebruik van seriële presentatie van zuivere toon en witte ruis auditieve stimuli als de geconditioneerde stimulus. Na conditionering in dit paradigma vertonen muizen vriesgedrag als reactie op de toonprikkel en vluchtreacties tijdens het witte geluid. Dit conditioneringsmodel kan worden toegepast op de studie van snelle en flexibele overgangen tussen gedragsreacties die nodig zijn om te overleven.
Introduction
Angst is een evolutionair geconserveerde adaptieve reactie op een onmiddellijke dreiging1,2. Terwijl organismen aangeboren defensieve reacties op een bedreiging bezitten, zijn geleerde associaties cruciaal om geschikte defensieve reacties op stimuli te ontlokken die voorspellend zijn voor gevaar3. Dysregulatie in hersencircuits die defensieve reacties beheersen, zal waarschijnlijk bijdragen aan maladaptive reacties geassocieerd met meerdere slopende angststoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS), paniekstoornis4en specifieke fobieën5,6. Het prevalentiepercentage in de Verenigde Staten voor angststoornissen is 19,1% voor volwassenen en 31,9% bij adolescenten7,8. De last van deze ziekten is extreem hoog op de dagelijkse routine van individuen en heeft een negatieve invloed op hun kwaliteit van leven.
In de afgelopen decennia heeft Pavloviaanse angstconditionering gediend als een krachtig modelsysteem om enorm inzicht te krijgen in de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan angstgerelateerd leren en geheugen9,10,11. Pavloviaanse angstconditionering houdt in dat een geconditioneerde stimulus (CS, zoals een auditieve stimulus) wordt gecombineerd met een aversieve ongeconditioneerde stimulus (VS; bijvoorbeeld een elektrische voetschok)12. Omdat bevriezing het dominante gedrag is dat wordt opgeroepen en gemeten in standaard Pavloviaanse conditioneringsparadigma’s, blijven de neurale controlemechanismen van actieve vormen van defensief gedrag zoals ontsnappings-/vluchtreacties grotendeels onontgonnen. Eerdere studies tonen aan dat verschillende vormen van defensief gedrag, zoals vlucht, worden opgeroepen, afhankelijk van de dreigingsintensiteit, nabijheid en context13,14. Het bestuderen van hoe de hersenen verschillende soorten defensief gedrag beheersen, kan aanzienlijk bijdragen aan het begrip van de neuronale processen die worden gereguleerd in angst- en angststoornissen.
Om aan deze kritieke behoefte te komen, ontwikkelden we een aangepast Pavloviaans conditioneringsparadigma dat vlucht- en ontsnappingssprongen uitlokt, naast het bevriezenvan 15. In dit paradigma worden muizen geconditioneerd met een seriële verbindingsprikkel (SCS) bestaande uit een zuivere toon gevolgd door witte ruis. Na twee dagen van het koppelen van de SCS met een sterke elektrische voetenschok, vertonen muizen bevriezing als reactie op de tooncomponent en vlucht tijdens het witte geluid. Gedragswisselingen tussen geconditioneerde bevriezing en vlieggedrag zijn snel en consistent. Interessant is dat muizen vluchtgedrag alleen vertonen wanneer de witte ruis CS wordt gepresenteerd in dezelfde context als een eerder geleverde voetschok (de conditioneringscontext), maar niet in een neutrale context. In plaats daarvan domineren bevriezingsreacties hierin de neutrale context, met aanzienlijk hogere niveaus van bevriezing als reactie op de witte ruis in vergelijking met de toon. Dit is in overeenstemming met de rol van context bij het moduleren van defensieve responsintensiteit en met de regulerende rol van contextuele informatie in angstgerelateerd leren en geheugen in traditionele dreigingsconditioneringsparadigma ‘s16,17. Dit model maakt directe, binnen-subject vergelijkingen van meerdere defensieve gedragingen op een contextspecifieke manier mogelijk.
Protocol
Representative Results
Discussion
De beschreven geluids- en schokparameters zijn belangrijke elementen van dit protocol. Het is daarom van cruciaal belang om de schokamplitude en het geluidsdrukniveau te testen voordat u met de experimenten begint. Angstconditioneringsstudies gebruiken doorgaans 70-80 dB geluidsdrukniveaus en 0,1-1 mA schokintensiteit18; zo liggen de beschreven parameters binnen de grenzen van traditionele angstconditioneringsparadigma’s. In een eerder CS-only (geen voetschok) controle-experiment hebben we geen vl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Louisiana Board of Regents via het Board of Regents support fund (LEQSF(2018-21)-RD-A-17) en het National Institute of Mental Health van de National Institutes of Health onder awardnummer R01MH122561. De inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
Materials
| Neutral context | Plexiglass cylinder 30 X 30 cm | ||
| Fear conditioning box | Med Associates, Inc. | VFC-008 | 25 X 30 X 35 cm dimentions |
| Audio generator | Med Associates, Inc. | ANL-926 | |
| Shocker | Med Associates Inc. | ENV-414S | Stainless steel grid |
| Speaker | Med Associates, Inc. | ENV-224AM | Suitable for pure tone and white noise |
| C57/BL6J mice | Jackson laboratory, USA | 664 | Aged 3-5 month |
| Cineplex software (Editor/ studio) | Plexon | CinePlex Studio v3.8.0 | For video tracking and behavioral scoring analysis |
| MedPC software V | Med Associates, Inc. | SOF-736 | |
| Neuroexplorer | Plexon | Used to extract the freezing data scored in PlexonEditor | |
| GraphPad Prism 8 | GraphPad Software, Inc. | Version 8 | Statistical analysis software |
References
- Gross, C. T., Canteras, N. S. The many paths to fear. Nature Reviews Neuroscience. 13 (9), 651-658 (2012).
- LeDoux, J. Rethinking the Emotional Brain. Neuron. , (2012).
- Maren, S. Neurobiology of Pavlovian fear conditioning. Annual Review of Neuroscience. 24, 897-931 (2001).
- Johnson, P. L., Truitt, W. A., Fitz, S. D., Lowry, C. A., Shekhar, A. Neural pathways underlying lactate-induced panic. Neuropsychopharmacology. 33 (9), 2093-2107 (2008).
- Mobbs, D., et al. From threat to fear: The neural organization of defensive fear systems in humans. Journal of Neuroscience. 29 (39), 12236-12243 (2009).
- Münsterkötter, A. L., et al. Spider or no spider? neural correlates of sustained and phasic fear in spider phobia. Depression and Anxiety. 32 (9), 656-663 (2015).
- Kessler, R. C., Wai, T. C., Demler, O., Walters, E. E. Prevalence, severity, and comorbidity of 12-month DSM-IV disorders in the National Comorbidity Survey Replication. Archives of General Psychiatry. 62 (6), 617-627 (2005).
- National Institute of Mental Health. Generalized anxiety disorder. National Institute of Mental Health. , 3-8 (2017).
- Herry, C., Johansen, J. P. Encoding of fear learning and memory in distributed neuronal circuits. Nature Neuroscience. 17 (12), 1644-1654 (2014).
- Janak, P. H., Tye, K. M. From circuits to behaviour in the amygdala. Nature. 517 (7534), 284-292 (2015).
- Tovote, P., Fadok, J. P., Lüthi, A. Neuronal circuits for fear and anxiety. Nature Reviews Neuroscience. 16 (6), 317-331 (2015).
- Seidenbecher, T., Laxmi, T. R., Stork, O., Pape, H. C. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
- Blanchard, D. C., Blanchard, R. J., Blanchard, D. C. Defensive behaviors, fear, and anxiety. Handbook of Anxiety and Fear. Handbook of behavioral neuroscience. , 63-79 (2008).
- Perusini, J. N., Fanselow, M. S. Neurobehavioral perspectives on the distinction between fear and anxiety. Learning and Memory. 22 (9), 417-425 (2015).
- Fadok, J. P., et al. A competitive inhibitory circuit for selection of active and passive fear responses. Nature. 542 (7639), 96-99 (2017).
- Maren, S. Neurotoxic or electrolytic lesions of the ventral subiculum produce deficits in the acquisition and expression of Pavlovian fear conditioning in rats. Behavioral Neuroscience. 113 (2), 283-290 (1999).
- Xu, C., et al. Distinct hippocampal pathways mediate dissociable roles of context in memory retrieval. Cell. 167 (4), 961-972 (2016).
- Curzon, P., Rustay, N. R. Chapter 2: Cued and contextual fear conditioning for rodents. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. 2nd edition. , (2009).
- Mollenauer, S., Bryson, R., Robison, M., Phillips, C. Noise avoidance in the C57BL/6J mouse. Animal Learning & Behavior. 20 (1), 25-32 (1992).
- Hersman, S., Allen, D., Hashimoto, M., Brito, S. I., Anthony, T. E. Stimulus salience determines defensive behaviors elicited by aversively conditioned serial compound auditory stimuli. eLife. 9, (2020).
- Dong, P., et al. A novel cortico-intrathalamic circuit for flight behavior. Nature Neuroscience. 22 (6), 941-949 (2019).
- Borkar, C. D., et al. Sex differences in behavioral responses during a conditioned flight paradigm. Behavioural Brain Research. 389, 112623 (2020).
- Fadok, J. P., Markovic, M., Tovote, P., Lüthi, A. New perspectives on central amygdala function. Current Opinion in Neurobiology. 49, 141-147 (2018).
- Pitman, R. K., et al. Biological studies of post-traumatic stress disorder. Nature Reviews Neuroscience. 13 (11), 769-787 (2012).
- Canteras, N. S., Graeff, F. G. Executive and modulatory neural circuits of defensive reactions: Implications for panic disorder. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. , (2014).
