Un nuevo paradigma de acondicionamiento del miedo pavloviano para estudiar la congelación y el comportamiento del vuelo
Summary
Las respuestas conductuales defensivas están supeditadas a la intensidad de la amenaza, la proximidad y el contexto de exposición. Basándonos en estos factores, desarrollamos un paradigma de acondicionamiento clásico que provoca transiciones claras entre la congelación condicionada y el comportamiento de vuelo dentro de sujetos individuales. Este modelo es crucial para entender las patologías implicadas en la ansiedad, el pánico y los trastornos de estrés postraumáticos.
Abstract
Los comportamientos relacionados con el miedo y la ansiedad contribuyen significativamente a la supervivencia de un organismo. Sin embargo, las respuestas defensivas exageradas a la amenaza percibida son características de varios trastornos de ansiedad, que son la forma más prevalente de enfermedad mental en los Estados Unidos. Descubrir los mecanismos neurobiológicos responsables de los comportamientos defensivos ayudará al desarrollo de nuevas intervenciones terapéuticas. El acondicionamiento del miedo pavloviano es un paradigma de laboratorio ampliamente utilizado para estudiar el aprendizaje y la memoria relacionados con el miedo. Una limitación importante de los paradigmas tradicionales de acondicionamiento del miedo pavloviano es que la congelación es el único comportamiento defensivo monitoreado. Recientemente desarrollamos un paradigma modificado de acondicionamiento del miedo pavloviano que nos permite estudiar tanto la congelación condicionada como el comportamiento de vuelo (también conocido como escape) dentro de sujetos individuales. Este modelo emplea zapatas de mayor intensidad y un mayor número de emparejamientos entre el estímulo condicionado y el estímulo sin condiciones. Además, este paradigma de vuelo condicionado utiliza la presentación en serie de estímulos auditivos de tono puro y ruido blanco como estímulo condicionado. Después del acondicionamiento en este paradigma, los ratones exhiben un comportamiento de congelación en respuesta al estímulo del tono y respuestas de vuelo durante el ruido blanco. Este modelo de acondicionamiento se puede aplicar al estudio de transiciones rápidas y flexibles entre las respuestas conductuales necesarias para la supervivencia.
Introduction
El miedo es una respuesta adaptativa conservada evolutivamente a una amenaza inmediata1,2. Mientras que los organismos poseen respuestas defensivas innatas a una amenaza, las asociaciones aprendidas son cruciales para obtener respuestas defensivas apropiadas a los estímulos predictivos del peligro3. Es probable que la desregulación en los circuitos cerebrales que controlan las respuestas defensivas contribuya a reacciones maladaptivas asociadas con múltiples trastornos de ansiedad debilitantes, como trastorno de estrés postraumático (TEPT), trastorno de pánico4y fobias específicas5,6. La tasa de prevalencia en los Estados Unidos para los trastornos de ansiedad es del 19,1% para los adultos y del 31,9% en los adolescentes7,8. La carga de estas enfermedades es extremadamente alta en la rutina diaria de los individuos y afecta negativamente su calidad de vida.
En las últimas décadas, el acondicionamiento del miedo pavloviano ha servido como un potente sistema modelo para obtener una visión tremenda de los mecanismos neuronales subyacentes al aprendizaje y la memoria relacionados con el miedo9,10,11. El acondicionamiento del miedo pavloviano implica emparejar un estímulo condicionado (CS, como un estímulo auditivo) con un estímulo irreversible sin condiciones (EE.UU.; por ejemplo, un footshock eléctrico)12. Debido a que la congelación es el comportamiento dominante evocado y medido en paradigmas estándar de acondicionamiento pavloviano, los mecanismos de control neuronal de las formas activas de comportamiento defensivo, como las respuestas de escape/vuelo, permanecen en gran medida inexplorados. Estudios previos muestran que diferentes formas de comportamiento defensivo, como el vuelo, se evocan dependiendo de la intensidad de la amenaza, proximidad y contexto13,14. Estudiar cómo el cerebro controla diferentes tipos de comportamiento defensivo puede contribuir significativamente a la comprensión de los procesos neuronales que están regulados en trastornos de miedo y ansiedad.
Para hacer frente a esta necesidad crítica, desarrollamos un paradigma de acondicionamiento pavloviano modificado que provoca saltos de vuelo y escape, además de congelar15. En este paradigma, los ratones están condicionados con un estímulo compuesto serie (SCS) que consiste en un tono puro seguido de ruido blanco. Después de dos días de emparejar el SCS con una fuerte zapata eléctrica, los ratones exhiben congelación en respuesta al componente de tono y vuelo durante el ruido blanco. Los interruptores de comportamiento entre la congelación condicionada y el comportamiento del vuelo son rápidos y consistentes. Curiosamente, los ratones exhiben el comportamiento de vuelo sólo cuando el CS de ruido blanco se presenta en el mismo contexto que un footshock entregado previamente (el contexto de acondicionamiento) pero no en un contexto neutro. En cambio, las respuestas de congelación dominan en este contexto neutro, con niveles significativamente mayores de congelación en respuesta al ruido blanco en comparación con el tono. Esto es consistente con el papel del contexto en la modulación de la intensidad de la respuesta defensiva y con el papel regulatorio de la información contextual en el aprendizaje relacionado con el miedo y la memoria que se encuentra en los paradigmas tradicionales de acondicionamiento de amenazas16,17. Este modelo permite comparaciones directas dentro del sujeto de múltiples comportamientos defensivos de una manera específica del contexto.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los parámetros de sonido y choque descritos son elementos importantes de este protocolo. Por lo tanto, es fundamental probar la amplitud de choque y el nivel de presión sonora antes de iniciar los experimentos. Los estudios de acondicionamiento del miedo suelen utilizar niveles de presión acústica de 70-80 dB y 0,1-1 mA intensidad de choque18; por lo tanto, los parámetros descritos están dentro de los límites de los paradigmas tradicionales de acondicionamiento del miedo. En un experimento …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Junta de Regentes de Luisiana a través del fondo de apoyo de la Junta de Regentes (LEQSF(2018-21)-RD-A-17) y el Instituto Nacional de Salud Mental de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de premio R01MH122561. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
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).
