scholarly journals Enhanced synchronization between prelimbic and infralimbic cortices during fear extinction learning

2021 ◽  
Vol 14 (1) ◽  
Author(s):  
Mayumi Watanabe ◽  
Akira Uematsu ◽  
Joshua P. Johansen
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Neural Activity ◽  
Fear Extinction ◽  
Synaptic Connectivity ◽  
Prelimbic Cortex ◽  
Field Potentials ◽  
Infralimbic Cortex ◽  
Extinction Learning ◽  
Gamma Frequency ◽  
Learned Fear

AbstractThe ability to extinguish aversive memories when they are no longer associated with danger is critical for balancing survival with competing adaptive demands. Previous studies demonstrated that the infralimbic cortex (IL) is essential for extinction of learned fear, while neural activity in the prelimbic cortex (PL) facilitates fear responding and is negatively correlated with the strength of extinction memories. Though these adjacent regions in the prefrontal cortex maintain mutual synaptic connectivity, it has been unclear whether PL and IL interact functionally with each other during fear extinction learning. Here we addressed this question by recording local field potentials (LFPs) simultaneously from PL and IL of awake behaving rats during extinction of auditory fear memories. We found that LFP power in the fast gamma frequency (100–200 Hz) in both PL and IL regions increased during extinction learning. In addition, coherency analysis showed that synchronization between PL and IL in the fast gamma frequency was enhanced over the course of extinction. These findings support the hypothesis that interregional interactions between PL and IL increase as animals extinguish aversive memories.

scholarly journals Μοριακοί μηχανισμοί εγγραφής πρώιμων εμπειριών στον εγκέφαλο επίμυ

2015 ◽  
Author(s):  
Θεοδώρα Καλπαχίδου
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Adrenergic Receptor ◽  
Prelimbic Cortex ◽  
Infralimbic Cortex ◽  
Orbital Cortex

Οι πρώιμες εμπειρίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του εγκεφάλου και στη διαμόρφωση της συμπεριφοράς του οργανισμού κατά την ενήλικη ζωή. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν οι μοριακοί μηχανισμοί μέσω των οποίων οι πρώιμες εμπειρίες «εντυπώνονται» στο γονιδίωμα του εγκεφάλου του επίμυ, με τη χρήση του νεογνικού μοντέλου εκπαίδευσης σε λαβύρινθο σχήματος Τ, το οποίο αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Βιολογίας-Βιοχημείας του Τμήματος Νοσηλευτικής του ΕΚΠΑ. Στο μοντέλο αυτό κατά τις μεταγεννητικές ημέρες 10 έως 13, νεογνά επίμυ εκτίθενται σε έναν λαβύρινθο σχήματος Τ, στον οποίο μαθαίνουν ότι η μητέρα τους βρίσκεται στο τέλος του δεξιού βραχίονα. Τα νεογνά εκπαιδεύονται είτε υπό συνεχή λήψη της αναμενόμενης ανταμοιβής (Receipt of Expected Reward, RER) της μητρικής επαφής, είτε υπό συνεχή παρεμπόδιση λήψης αυτής της ανταμοιβής (Denial of Expected Reward, DER). Ειδικότερα, διερευνήθηκε η επίδραση του παραπάνω μοντέλου στο νοραδρενεργικό σύστημα και συγκεκριμένα στον β1 αδρενεργικό υποδοχέα (β1 adrenergic receptor, ADRB1), ενώ στη συνέχεια μελετήθηκαν οι επιπτώσεις σε άλλα γονίδια στόχους.Το νοραδρενεργικό σύστημα παίζει σημαντικό ρόλο σε πληθώρα διεργασιών και συμπεριφορών τόσο στη νεογνική όσο και στην ενήλικη ζωή. Προηγούμενα δεδομένα από το εργαστήριο μας κατέδειξαν ότι τα επίπεδα νοραδρεναλίνης, καθώς επίσης τα επίπεδα πρωτεΐνης και ο αριθμός των β1 αδρενεργικών υποδοχέων τροποποιούνται από τη νεογνική εμπειρία του λαβύρινθου Τ στους RER και DER επίμυες, σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου, στον προμετωπιαίο φλοιό (prefrontal cortex, PFC), τον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα. Με βάση τα παραπάνω και λαμβάνοντας υπόψη ότι οι πρώιμες εμπειρίες μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση γονιδίων στον εγκέφαλο μέσω επιγενετικών μηχανισμών, αρχικά διερευνήθηκε το πρότυπο της μεθυλίωσης του υποκινητή του γονιδίου του β1 αδρενεργικού υποδοχέα (Adrb1), καθώς και η έκφραση του mRNA του. Στον PFC, oι ενήλικοι αρσενικοί RER επίμυες βρέθηκε να έχουν χαμηλότερα επίπεδα μεθυλίωσης στον υποκινητή του Adrb1 και υψηλότερα επίπεδα του mRNA του ADRB1 [περιοχές του PFC: προμεταιχμιακός φλοιός (prelimbic cortex, PrL), υπομεταιχμιακός φλοιός (infralimbic cortex, IL) και έσω κογχομετωπιαίος φλοιός (medial orbital cortex, MO)], εύρημα το οποίο υποδεικνύει αυξημένη έκφραση του γονιδίου σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα DER ζώα. Τα παραπάνω αποτελέσματα, καταδεικνύουν ότι η υπομεθυλίωση του υποκινητή του Adrb1 στα RER ζώα είναι υπεύθυνη, τουλάχιστον εν μέρει, για τα υψηλότερα επίπεδα πρωτεΐνης και τον αυξημένο αριθμό των β1 αδρενεργικών υποδοχέων, που παρατηρήθηκαν σε προηγούμενες μελέτες στον PFC. Περαιτέρω ανάλυση για τον πιθανό μηχανισμό μέσω του οποίου η RER εμπειρία προκαλεί την υπομεθυλίωση του Adrb1 κατέδειξε υψηλότερα πρωτεϊνικά επίπεδα, υπό βασικές συνθήκες, για την ενεργή απομεθυλάση GADD45b στις περιοχές PrL, IL και MO του PFC. Ακόμα, στις ίδιες περιοχές του PFC, υπό βασικές συνθήκες, ανιχνεύτηκαν υψηλότερα πρωτεϊνικά επίπεδα για το μεταγραφικό παράγοντα pCREB στους RER αρσενικούς ενήλικους επίμυες σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα DER ζώα. Προηγούμενα δεδομένα του εργαστηρίου μας είχαν δείξει ότι οι RER επίμυες ήδη κατά τη 13η μεταγεννητική ημέρα, αλλά και στην ενήλικη ζωή διαθέτουν αυξημένα επίπεδα ΝΑ. Συνολικά, όλα τα παραπάνω ευρήματα καταδεικνύουν ότι η RER εμπειρία αυξάνει τα επίπεδα της ΝΑ στον PFC. Η αυξημένη ΝΑ δρα μέσω των υποδοχέων της, από τους οποίου ο ADRB1 είναι ο πιο πολυπληθής στον PFC, με αποτέλεσμα την αύξηση του μεταγραφικού παράγοντα pCREB. Στη συνέχεια, τα αυξημένα επίπεδα pCREB επάγουν την έκφραση της απομεθυλάσης GADD45b, η οποία απομεθυλιώνει ενεργά τον υποκινητή του Adrb1 με αποτέλεσμα την αυξημένη έκφραση του υποδοχέα, η οποία είναι εμφανής σε πρωτεϊνικό και λειτουργικό επίπεδο, κατά την ενήλικη ζωή. Η αυξημένη δραστηριότητα του νοραδρενεργικού συστήματος στον PFC των ενήλικων αρσενικών RER επίμυων αντικατοπτρίζεται και στον συμπεριφορικό τους φαινότυπο, καθώς είχαν βελτιωμένη απόδοση σε δύο δοκιμασίες εξαρτώμενες από τη νοραδρενεργική νευροδιαβίβαση στον PFC, τη δοκιμασία οσφρητικής διάκρισης και τη δοκιμασία απόσβεσης εξαρτημένου φόβου βάσει πλαισίου. Ειδικότερα, στη δοκιμασία οσφρητικής διάκρισης οι ενήλικοι αρσενικοί RER επίμυες θυμήθηκαν ~2 φορές πιο αποτελεσματικά τη συσχέτιση οσμής-επιβράβευσης έπειτα από 48 ώρες, ενώ στη δοκιμασία απόσβεσης εξαρτημένου φόβου βάσει πλαισίου, κατάφεραν να εξαλείψουν πιο αποτελεσματικά τον προηγούμενα μαθημένο φόβο. Συνοπτικά, στον PFC, η RER εμπειρία κατά τη νεογνική ηλικία επάγει την αύξηση της ΝΑ στον προμετωπιαίο φλοιό. Στη συνέχεια, μέσω επιγενετικών τροποποιήσεων στον υποκινητή του γονιδίου του ADRB1 προγραμματίζει το νοραδρενεργικό σύστημα προς αυξημένη λειτουργία στην ενήλικη ζωή, τόσο στο νευροχημικό, όσο και στο επίπεδο της συμπεριφοράς.Στον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα οι ενήλικες αρσενικοί DER επίμυες είχαν αυξημένα επίπεδα μεθυλίωσης στον υποκινητή του Adrb1 και χαμηλότερα επίπεδα του mRNA του ADRB1 (ιππόκαμπος: CA1 περιοχή, αμυγδαλοειδής πυρήνας: BLA, CeA), εύρημα το οποίο υποδεικνύει μειωμένη έκφραση του γονιδίου σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα RER ζώα. Τα παραπάνω αποτελέσματα, καταδεικνύουν ότι η υπερμεθυλίωση του υποκινητή του Adrb1 των DER ζώων είναι υπεύθυνη, τουλάχιστον εν μέρει, για τα μειωμένα πρωτεϊνικά επίπεδα, καθώς και το χαμηλότερο αριθμό β1 υποδοχέων, που παρατηρήθηκαν στον ιππόκαμπο και την αμυγδαλή, σε προηγούμενες μελέτες στο εργαστήριο μας.Τέλος, διερευνήθηκε εάν επηρεάζονται τα πρότυπα μεθυλίωσης και άλλων γονιδίων που εμπλέκονται στην πλαστικότητα του εγκεφάλου και σε διαδικασίες μάθησης/μνήμης. Συγκεκριμένα, αναλύθηκαν: ο α2Α αδρενεργικός υποδοχέας (alpha2Α adrenergic receptor, ADRA2A), μέλη του ΗΡΑ άξονα: CRH, CRHR1, GR, μέλη του σεροτονεργικού συστήματος: υποδοχείς της σεροτονίνης τύπου 1Α και 2Α (5-HT1A και 5-ΗΤ2Α) και ο υποδοχέας της ωκυτοκίνης. Συνολικά, τα αποτελέσματα μας υποδεικνύουν ότι οι νεογνικές εμπειρίες RER και DER επηρεάζουν το πρότυπο της μεθυλίωσης γονιδίων στον προμετωπιαίο φλοιό, τον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα. Ωστόσο, η εξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με αυτά τα γονίδια προϋποθέτει περαιτέρω μελέτη και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων σε μοριακό, ιστοχημικό και συμπεριφορικό επίπεδο.

scholarly journals Beyond the classic extinction network: a wider, comparative view

Neuroforum ◽  
2020 ◽  
Vol 0 (0) ◽  
Author(s):  
Onur Güntürkün ◽  
Maik C. Stüttgen ◽  
Sarah Starosta ◽  
Roland Pusch ◽  
Meng Gao ◽  
...  
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Fear Conditioning ◽  
Conditioned Response ◽  
Prediction Errors ◽  
Extinction Learning ◽  
Functional Brain ◽  
Brain Circuits ◽  
Human Cerebellum ◽  
Brain Circuit ◽  
Learned Fear

AbstractExtinction learning modifies the dynamics of brain circuits such that a previously learned conditioned response is no longer generated. The majority of extinction studies use fear conditioning in rodents and identified the prefrontal cortex, the hippocampus, and the amygdala as core regions of the extinction circuit. We sought to find answers to two questions: First, do we find a similar functional brain circuit in birds, which underwent a 300-million-year separate evolution from mammals? Second, do we have to incorporate the cerebellum as a key component of the central extinction circuit? We indeed show that the avian extinction pathways are not identical but highly similar to those of mammals. In addition, we reveal that the human cerebellum processes prediction errors, a key element driving extinction of learned fear responses, and contributes to context-related effects of extinction.

scholarly journals Using c-Jun to identify fear extinction learning-specific patterns of neural activity that are affected by single prolonged stress

2018 ◽  
Vol 341 ◽  
pp. 189-197 ◽  
Author(s):  
Dayan Knox ◽  
Briana R. Stanfield ◽  
Jennifer M. Staib ◽  
Nina P. David ◽  
Thomas DePietro ◽  
...  
Keyword(s):  
Neural Activity ◽  
Fear Extinction ◽  
Extinction Learning ◽  
Single Prolonged Stress ◽  
Prolonged Stress

scholarly journals Preservation and changes in oscillatory dynamics across the cortical hierarchy

2020 ◽  
Author(s):  
Mikael Lundqvist ◽  
André M. Bastos ◽  
Earl K. Miller
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Local Field ◽  
Gamma Oscillations ◽  
Field Potentials ◽  
Phase Coupling ◽  
Oscillatory Dynamics ◽  
Cortical Areas ◽  
Gamma Frequency ◽  
Cortical Hierarchy ◽  
Alpha Beta

AbstractTheta (2-8 Hz), Alpha (8-12 Hz), beta (12-35 Hz) and gamma (>35 Hz) rhythms are ubiquitous in cortex. But there is little understanding of whether they have similar properties and functions in different cortical areas because they have rarely been compared across them. We record neuronal spikes and local field potentials simultaneously at several levels of the cortical hierarchy in monkeys. Theta, alpha, beta and gamma oscillations had similar relationships to spiking activity in visual, parietal and prefrontal cortex. However, the frequencies in all bands increased up the cortical hierarchy. These results suggest that these rhythms have similar functions inhibitory and excitatory across cortex. We discuss how the increase in frequencies up the cortical hierachy may help sculpt cortical flow and processing.Significance statementPhase-coupling in alpha/beta and gamma frequency ranges between cortical areas is often viewed as a means to shape brain-wide communication. However, systematic frequency differences between communicating areas are typically not considered, but equally important. Here we show that alpha/beta and gamma oscillations are of systematically higher frequency ascending the cortical hierarchy. This presents a fresh view on a widely studied topic. It has important implications in shaping cortical communication and helps explain widely observed phenomena.

scholarly journals IGF-1 facilitates extinction of conditioned fear

2020 ◽  
Author(s):  
José A. Noriega-Prieto ◽  
Laura E. Maglio ◽  
Irene B. Maroto ◽  
Jesús Martin-Cortecero ◽  
Antonio Muñoz-Callejas ◽  
...  
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Synaptic Plasticity ◽  
Animal Behavior ◽  
Pyramidal Neurons ◽  
Conditioned Fear ◽  
Fear Extinction ◽  
Neuronal Firing ◽  
Infralimbic Cortex ◽  
Regulatory Processes ◽  
Extinction Memory

SUMMARYInsulin-like growth factor-1 (IGF-1) plays a key role in synaptic plasticity, degenerative diseases, spatial learning, and anxiety-like behavioral processes. While IGF-1 regulates neuronal activity in many areas of the brain, its effect on synaptic plasticity and animal behavior dependent on the prefrontal cortex remain unexplored. Here, we show that IGF-1 induces a long-lasting depression of the medium and slow post-spike afterhyperpolarization (mAHP and sAHP), increasing the excitability of layer 5 pyramidal neurons of the infralimbic cortex. Besides, IGF-1 mediates a long-term depression of both inhibitory and excitatory synaptic transmission that results in a longterm potentiation of the postsynaptic potentials. We demonstrate that these synaptic and intrinsic regulatory processes mediated by IGF-1 favor the fear extinction memory. These results show novel functional consequences of IGF-1 signaling on animal behavior tasks dependent on the prefrontal cortex, revealing IGF-1 as a key element in the control of the fear extinction memory.Impact StatementIGF-1 modulates the neuronal firing and synaptic plasticity in infralimbic cortex, favoring the extinction memory

scholarly journals Developmental regulation of fear memories by an obesogenic high-saturated fat/high-sugar diet

2019 ◽  
Author(s):  
Julio David Vega-Torres ◽  
Arsenio L. Reyes-Rivera ◽  
Johnny D. Figueroa
Keyword(s):  
Prefrontal Cortex ◽  
Dopamine Receptor ◽  
Saturated Fat ◽  
Fear Extinction ◽  
List Type ◽  
Mrna Levels ◽  
Extinction Learning ◽  
High Sugar ◽  
Obesogenic Diet ◽  
Fear Potentiated Startle

ABSTRACTBackgroundAnxiety and stress-related disorders are strongly linked with obesity and the consumption of obesogenic diets. Paralleling clinical findings, we showed that the consumption of an obesogenic diet during adolescence disrupts the structural integrity of amygdalar and prefrontal cortex circuits underlying emotional responses to stress. These abnormalities were associated with a PTSD-like phenotype, including heightened stress reactivity to predator odor trauma, anxiety-like behaviors, and profound learning deficits. The present follow-up study investigates how an obesogenic diet alters aversion-related associative memories across adolescence.MethodsAdolescent Lewis rats were fed for eight weeks with an experimental Western-like high-saturated fat/high-sugar diet (WD, 41% kcal from fat) or a matched control diet (CD, 13% kcal from fat). Acoustic fear-potentiated startle (FPS) responses were assessed longitudinally at weeks 1, 4, and 8 after commencing the diets to determine the effects of the WD on cued fear conditioning, fear extinction learning, and fear extinction retention.ResultsWe found that the rats that consumed the WD exhibited substantial attenuation of fear extinction and fear extinction retention when remote memory was tested. One-week WD consumption was sufficient to induce impairments in fear extinction learning. This phenotype was associated with reduced dopamine receptor 1 mRNA levels in the prefrontal cortex. Interestingly, our reconditioning paradigm revealed that early-acquired fear memories were resistant to the disruptive effects of chronic WD consumption on cued fear learning.ConclusionsOur findings demonstrate that consumption of an obesogenic WD during adolescence heightens behavioral vulnerabilities associated with risk for anxiety and stress-related disorders. Given that fear extinction promotes resilience and that fear extinction principles are the foundation of psychological treatments for PTSD, understanding how obesity and obesogenic diets affect the acquisition and expression of fear extinction memories is of tremendous clinical relevance.HIGHLIGHTSAcute WD consumption impairs cued fear extinction learning in a fear-potentiated startle paradigm.WD consumption attenuates fear extinction memory retentionWD consumption during adolescence increases acoustic startle responsivity over timeChronic WD consumption decreases dopamine receptor D1 mRNA levels in the prefrontal cortex.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document