Chronic stress and neuronal oscillations: implications from freely moving rodents' studies

Tese de doutoramento Programa Doutoral em Engenharia BiomédicaIndividuals have to deal with stress on a daily basis. The stress response has an adaptive value allowing the re-establishment of homeostasis whenever the same is disrupted by a stressor. However, if the stress response exceeds a certain duration or intensity, it becomes maladaptive and leads to various cognitive and emotional dysfunctions. Emotional behaviors are regulated by the interactions between several interconnected brain regions. Theta oscillations within the neuronal circuits determining emotional behavior have been recently correlated with anxiety and fear, namely in the hippocampus-amygdala-prefrontal cortex medial (HPC-AMYmPFC) circuit. Importantly, stress, a powerful modulator of emotional behavior, targets the same circuit leading to various behavioral impairments. The striatum, which is strongly connected to the HPC-AMYmPFC circuit and regulates reward-related behaviors in decision-making and motivational processes is also affected by stress. The main objective of this thesis was to observe how these circuits were impacted by stress and correlated with the known chronic stress-induced behavior alterations. To achieve this goal, the modulation of extracellular potentials in freely behaving rats was assessed in local field potentials (LFPs) recorded in the HPC-AMY-mPFC and HPC-dorsomedial striatum (DMS)-mPFC circuits during the performance of three different tasks which represent three behavioral domains impacted by stress: novelty-induced exploration and familiarization, anxiety and cognition (working memory). In the novelty-induced exploration and familiarization experiment LFPs were recorded from the HPC-AMY-MPFC circuit in rats while they explored a novel environment and familiarized with it through repeated exposures. It was shown that: (1) exposure to a novel environment is correlated with an increase in theta activity in the ventral hippocampus (vHPC) and basolateral amygdala (BLA) but not in the dorsal hippocampus (dHPC) and mPFC; (2) familiarization through repeated exposures to the same environment is accompanied by a reduction of vHPC and BLA theta activity and vHPC-BLA theta synchronization in control animals and is correlated with a return to normal non-defensive behavior. In contrast, the same adaptation is not present in stressed animals due to persistently increased activity of vHPC and BLA which is correlated with increased defensive immobility impairing appropriate risk assessment and familiarization; (3) in addition, stress also affects intra-hippocampal synchrony and heightens vHPC-BLA interaction suggesting a possible re-routing of hippocampal function to a preferential link with limbic structures involved in emotional behaviors. In the assessment of anxiety, LFPs were recorded from the HPC-AMYmPFC circuit during elevated-plus maze (EPM) performance. Particular attention was given to the decision-making process in the approachavoidance conflict posed by the open arms of the EPM. It was shown that: (1) theta power variations in the vHPC, BLA and mPFC predict the decision of further exploration of the open arms; (2) vHPC-mPFC theta coherence is also correlated with that decision; (3) stress affects synchronization in the vHPC-BLA and BLA-mPFC in the exploratory conflict. In the working memory experiment, LFPs were recorded from the HPCdorsomedial striatum (DMS)-MPFC circuit during the initial days of the Tmaze test. It was shown that: (1) dHPC-mPFC and dHPC-DMS theta coherence preceding the decision instant in the test can differentiate subsequent correct and incorrect choices and separate good from bad learners. No significant stress-induced alterations of HPC-DMS-mPFC activity were observed; however, no significant behavioral differences were also seen between control and stressed animals. The present studies provide new insights towards understanding the neuronal activity regulating decision-making and adaptive behavior in emotional and cognitive tasks in control animals. The inclusion of stressed groups in each experiment has, additionally, provided further information regarding how these mechanisms are affected by maladaptive stress exposure. The knowledge of these processes is critical to the development of appropriate strategies to adjust the dysfunction of these neuronal circuits in physiological and pathological conditions.Os indivíduos têm de lidar com o stresse no seu dia-a-dia. A resposta de stresse tem um valor adaptativo, permitindo o restabelecimento da homeostase, sempre que a mesma é interrompida por um agente causador de stresse. No entanto, se a resposta ao stresse exceder uma determinada duração ou intensidade, torna-se mal adaptada e conduz a várias disfunções cognitivas e emocionais. Os comportamentos emocionais são regulados por interacções entre várias regiões do cérebro interligadas. As oscilações teta nos circuitos neuronais que determinam o comportamento emocional foram recentemente correlacionada com a ansiedade e o medo, nomeadamente no circuito hipocampo-amígdala-córtex pré-frontal medial (HPC-AMY-mPFC). É importante sublinhar que o stresse, um modulador poderoso do comportamento emocional, tem como alvo o mesmo circuito conduzindo a várias disfunções comportamentais. O objectivo principal desta tese foi observar como esses circuitos são afectados pelo stresse e como essas alterações se correlacionam com as disfunções comportamentais conhecidas secundárias ao stresse. Para atingir este objectivo, oscilações teta em potenciais de campo locais (LFPs) foram analisados nos circuitos HPC-AMY-mPFC e HPC-estriado dorsomedial (DMS)-mPFC durante o desempenho de três tarefas diferentes que representam três domínios comportamentais influenciados pelo stresse: (1) exploração induzida pela novidade e familiarização, (2) ansiedade e (3) cognição (memória de trabalho). No estudo de exploração induzida pela novidade e familiarização, foram registados os LFPs no circuito HPC-AMYmPFC em ratos enquanto exploraram um ambiente novo e se familiarizaram com o mesmo através de exposições repetidas. Mostrou-se que: (1) a exposição a um ambiente novo está correlacionada com um aumento da actividade teta no hipocampo ventral (vHPC) e na amígdala basolateral (BLA), mas não no hipocampo dorsal (dHPC) ou no mPFC, (2) a familiarização através de exposições repetidas ao mesmo ambiente é acompanhada por uma redução da actividade teta na BLA e no vHPC e também da sincronização teta na ligação vHPC-BLA em animais controlo e correlaciona-se com um retorno ao comportamento não-defensivo normal. Em contraste, a mesma adaptação não está presente em animais stressados, devido à actividade persistentemente aumentada do vHPC e da BLA e que se correlaciona com o aumento da imobilidade defensiva, prejudicando a adequada avaliação de risco e a familiarização; (3) adicionalmente, o stresse também afecta a sincronia intra-hipocampal e intensifica a interacção vHPC-BLA, sugerindo uma possível re-orientação da função hipocampal para uma ligação preferencial com estruturas límbicas envolvidas nos comportamentos emocionais. Na avaliação da ansiedade, os LFPs foram registados no circuito HPC-AMY-mPFC durante o desempenho do teste elevated-plus maze (EPM). Foi dada especial atenção ao processo de tomada de decisão no conflito de aproximaçãoevitação colocado pelos braços abertos do EPM. Mostrou-se que: (1) variações de potência teta nos vHPC, BLA e mPFC predizem a decisão de continuação de exploração dos braços abertos; (2) coerência teta na ligação vHPC-PFC também estava correlacionada com essa decisão; (3) o stresse afecta a sincronização das ligações vHPC-BLA e BLA-PFC no conflito exploratório. Na experiência da memória de trabalho, os LFPs foram registados no circuito HPC- DMS-mPFC durante os dias iniciais do teste T-maze. Mostrou-se que: (1) a coerência teta nas ligações DHPCmPFC e DHPC-DMS que precede o instante de decisão no teste pode discriminar as escolhas correctas e incorrectas subsequentes e separar os ratos em grupos com boa e más capacidades de aprendizagem. Contudo, não foram observadas alterações significativas induzidas pelo stresse nesta experiência. Os estudos apresentados fornecem novos conhecimentos para a compreensão da actividade neuronal que controla a tomada de decisões e o comportamento adaptativo em animais controlo na realização de tarefas emocionais e cognitivas. A inclusão de grupos com animais stressados em cada experiência forneceu igualmente informações adicionais sobre como esses mecanismos são afectados pela exposição ao stresse mal-adaptativo. O conhecimento destes processos é essencial na delineação de estratégias apropriadas para o ajuste da disfunção desses circuitos neuronais em condições fisiológicas e patológicas.Os indivíduos têm de lidar com o stresse no seu dia-a-dia. A resposta de stresse tem um valor adaptativo, permitindo o restabelecimento da homeostase, sempre que a mesma é interrompida por um agente causador de stresse. No entanto, se a resposta ao stresse exceder uma determinada duração ou intensidade, torna-se mal adaptada e conduz a várias disfunções cognitivas e emocionais. Os comportamentos emocionais são regulados por interacções entre várias regiões do cérebro interligadas. As oscilações teta nos circuitos neuronais que determinam o comportamento emocional foram recentemente correlacionada com a ansiedade e o medo, nomeadamente no circuito hipocampo-amígdala-córtex pré-frontal medial (HPC-AMY-mPFC). É importante sublinhar que o stresse, um modulador poderoso do comportamento emocional, tem como alvo o mesmo circuito conduzindo a várias disfunções comportamentais. O objectivo principal desta tese foi observar como esses circuitos são afectados pelo stresse e como essas alterações se correlacionam com as disfunções comportamentais conhecidas secundárias ao stresse. Para atingir este objectivo, oscilações teta em potenciais de campo locais (LFPs) foram analisados nos circuitos HPC-AMY-mPFC e HPC-estriado dorsomedial (DMS)-mPFC durante o desempenho de três tarefas diferentes que representam três domínios comportamentais influenciados pelo stresse: (1) exploração induzida pela novidade e familiarização, (2) ansiedade e (3) cognição (memória de trabalho). No estudo de exploração induzida pela novidade e familiarização, foram registados os LFPs no circuito HPC-AMYmPFC em ratos enquanto exploraram um ambiente novo e se familiarizaram com o mesmo através de exposições repetidas. Mostrou-se que: (1) a exposição a um ambiente novo está correlacionada com um aumento da actividade teta no hipocampo ventral (vHPC) e na amígdala basolateral (BLA), mas não no hipocampo dorsal (dHPC) ou no mPFC, (2) a familiarização através de exposições repetidas ao mesmo ambiente é acompanhada por uma redução da actividade teta na BLA e no vHPC e também da sincronização teta na ligação vHPC-BLA em animais controlo e correlaciona-se com um retorno ao comportamento não-defensivo normal. Em contraste, a mesma adaptação não está presente em animais stressados, devido à actividade persistentemente aumentada do vHPC e da BLA e que se correlaciona com o aumento da imobilidade defensiva, prejudicando a adequada avaliação de risco e a familiarização; (3) adicionalmente, o stresse também afecta a sincronia intra-hipocampal e intensifica a interacção vHPC-BLA, sugerindo uma possível re-orientação da função hipocampal para uma ligação preferencial com estruturas límbicas envolvidas nos comportamentos emocionais. Na avaliação da ansiedade, os LFPs foram registados no circuito HPC-AMY-mPFC durante o desempenho do teste elevated-plus maze (EPM). Foi dada especial atenção ao processo de tomada de decisão no conflito de aproximaçãoevitação colocado pelos braços abertos do EPM. Mostrou-se que: (1) variações de potência teta nos vHPC, BLA e mPFC predizem a decisão de continuação de exploração dos braços abertos; (2) coerência teta na ligação vHPC-PFC também estava correlacionada com essa decisão; (3) o stresse afecta a sincronização das ligações vHPC-BLA e BLA-PFC no conflito exploratório. Na experiência da memória de trabalho, os LFPs foram registados no circuito HPC- DMS-mPFC durante os dias iniciais do teste T-maze. Mostrou-se que: (1) a coerência teta nas ligações DHPCmPFC e DHPC-DMS que precede o instante de decisão no teste pode discriminar as escolhas correctas e incorrectas subsequentes e separar os ratos em grupos com boa e más capacidades de aprendizagem. Contudo, não foram observadas alterações significativas induzidas pelo stresse nesta experiência. Os estudos apresentados fornecem novos conhecimentos para a compreensão da actividade neuronal que controla a tomada de decisões e o comportamento adaptativo em animais controlo na realização de tarefas emocionais e cognitivas. A inclusão de grupos com animais stressados em cada experiência forneceu igualmente informações adicionais sobre como esses mecanismos são afectados pela exposição ao stresse mal-adaptativo. O conhecimento destes processos é essencial na delineação de estratégias apropriadas para o ajuste da disfunção desses circuitos neuronais em condições fisiológicas e patológicas