En roman Pavlovian Fear Conditioning Paradigm at studere indefrysning og Flight Behavior
Summary
Defensive adfærdsmæssige reaktioner er betinget af trusselsintensitet, nærhed og kontekst af eksponering. Baseret på disse faktorer udviklede vi et klassisk konditioneringsparadigme, der fremkalder klare overgange mellem konditioneret frysning og flyveadfærd inden for de enkelte. Denne model er afgørende for forståelsen af de patologier, der er involveret i angst, panik og posttraumatisk stresslidelser.
Abstract
Frygt- og angstrelateret adfærd bidrager væsentligt til en organismes overlevelse. Men overdrevne defensive reaktioner på opfattet trussel er karakteristiske for forskellige angstlidelser, som er den mest udbredte form for psykisk sygdom i USA. At opdage de neurobiologiske mekanismer, der er ansvarlige for defensiv adfærd, vil hjælpe med udviklingen af nye terapeutiske interventioner. Pavlovian frygt conditioning er en udbredt laboratorium paradigme til at studere frygt-relaterede læring og hukommelse. En væsentlig begrænsning af traditionelle Pavlovian frygt conditioning paradigmer er, at indefrysning er den eneste defensive overvåget adfærd. Vi har for nylig udviklet en modificeret Pavlovian frygt conditioning paradigme, der giver os mulighed for at studere både konditioneret frysning og flyvning (også kendt som flugt) adfærd inden for de enkelte. Denne model anvender højere intensitet footshocks og et større antal bindinger mellem den betingede stimulus og ubetinget stimulus. Derudover er denne konditioneret flyvning paradigme udnytter seriel præsentation af ren tone og hvid støj auditive stimuli som konditioneret stimulus. Efter konditionering i dette paradigme udviser mus fryseadfærd som reaktion på tonestimuleringen og flyresponser under den hvide støj. Denne konditioneringsmodel kan anvendes til undersøgelse af hurtige og fleksible overgange mellem adfærdsmæssige reaktioner, der er nødvendige for overlevelse.
Introduction
Frygt er en evolutionært bevaret adaptiv reaktion på en umiddelbar trussel1,2. Mens organismer har medfødte defensive reaktioner på en trussel, er lærde foreninger afgørende for at fremkalde passende defensive reaktioner på stimuli, der forudsiger fare3. Dysregulering i hjernekredsløb, der styrer defensive reaktioner, vil sandsynligvis bidrage til maladaptive reaktioner forbundet med flere invaliderende angstlidelser, såsom posttraumatisk stresslidelse (PTSD), panikangst4, og specifikke fobier5,6. Prævalensen i USA for angstlidelser er 19,1% for voksne og 31,9% hos unge7,8. Byrden af disse sygdomme er ekstremt høj på den daglige rutine af enkeltpersoner og har en negativ indvirkning på deres livskvalitet.
I løbet af de sidste mange årtier har Pavlovian frygt conditioning fungeret som et kraftfuldt modelsystem for at få enorm indsigt i de neurale mekanismer, der ligger til grund for frygtrelateret læring og hukommelse9,10,11. Pavlovian frygt conditioning indebærer parring af en konditioneret stimulus (CS, såsom en auditiv stimulus) med en aversiv ubetinget stimulus (USA; for eksempel en elektrisk footshock)12. Fordi frysning er den dominerende adfærd fremkaldt og målt i standard Pavlovian conditioning paradigmer, de neurale kontrolmekanismer af aktive former for defensiv adfærd såsom flugt / flugt svar forbliver stort set uudforsket. Tidligere undersøgelser viser, at forskellige former for defensiv adfærd, såsom flyvning, fremkaldes afhængigt af trusselsintensiteten, nærheden og kontekst13,14. Undersøgelse af, hvordan hjernen styrer forskellige typer af defensiv adfærd kan bidrage væsentligt til forståelsen af de neuronale processer, der er dysreguleret i frygt og angstlidelser.
For at imødekomme dette kritiske behov udviklede vi et modificeret Pavlovian-konditioneringsparadigme, der fremkalder flugt- og flugtspring ud over at fryse15. I dette paradigme konditioneres mus med en seriel sammensat stimulus (SCS) bestående af en ren tone efterfulgt af hvid støj. Efter to dages parring af SCS med et stærkt elektrisk fodskamtel udviser mus frysning som reaktion på tonekomponenten og flyvning under den hvide støj. Adfærdsmæssige skift mellem konditioneret frysning og flyvning adfærd er hurtige og konsekvente. Interessant nok udviser mus kun flyveadfærd, når den hvide støj CS præsenteres i samme sammenhæng som et tidligere leveret fodsælk (konditioneringskonteksten), men ikke i en neutral sammenhæng. I stedet dominerer frysende reaktioner i denne neutrale sammenhæng med betydeligt højere niveauer af frysning som reaktion på den hvide støj sammenlignet med tonen. Dette er i overensstemmelse med kontekstens rolle med hensyn til at modulere defensiv responsintensitet og med kontekstuel informations regulerende rolle i frygtrelateret læring og hukommelse , der findes i traditionelle trusselskonditioneringsparadigmer16,17. Denne model giver mulighed for direkte, inden for emnet sammenligninger af flere defensive adfærd i en kontekst-specifik måde.
Protocol
Representative Results
Discussion
De beskrevne lyd- og stødparametre er vigtige elementer i denne protokol. Det er derfor afgørende at teste stødforstærkning og lydtrykniveau, før forsøgene påbegyndes. Frygtkonditioneringsundersøgelser bruger typisk 70-80 dB lydtrykniveauer og 0,1-1 mA-stødintensitet18; Således er de beskrevne parametre inden for rammerne af traditionelle frygt conditioning paradigmer. I et tidligere CS-kun (ingen fodsæk) kontroleksperiment observerede vi ikke flyve- eller fryseresponser i musene, hvilk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Louisiana Board of Regents gennem Bestyrelsen for Regents supportfond (LEQSF(2018-21)-RD-A-17) og National Institute of Mental Health fra National Institutes of Health under tildelingsnummer R01MH122561. Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de nationale sundhedsinstitutters officielle synspunkter.
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).
