Am J Physiol Régul Intégral Comp Physiol. 2011 Apr; 300 (4): R876 – R884.
Publié en ligne 2011 Feb 9. est ce que je: 10.1152 / ajpregu.00655.2010
PMCID: PMC3075076
1,2 Abstract
Nous avions précédemment signalé que l'administration d'insuline dans le noyau arqué de l'hypothalamus diminuait la motivation pour le saccharose, évaluée par une tâche d'auto-administration chez le rat. Comme le schéma d'activation du système nerveux central (SNC) associé à l'auto-administration de saccharose n'a pas été évalué, dans la présente étude, nous avons mesuré l'expression de c-Fos en tant qu'indice d'activation neuronale. Nous avons entraîné les rats à presser les barres pour le saccharose, selon un schéma à rapport fixe (FR) ou à rapport progressif (PR) et à cartographier l'expression de l'immunoréactivité de c-Fos dans le SNC, par rapport à l'expression de c-Fos chez les témoins traités. Nous avons observé une expression unique de c-Fos dans l'hypothalamus médial (noyaux arqué, paraventriculaire, rétrochiasmatique, dorsomédial et ventromédial) en association avec l'apparition de la performance de PR, et l'expression de c-Fos dans l'hypothalamus latéral et le noyau du lit. de stria terminalis en association avec l’apparition de la performance FR. L'expression de c-Fos était augmentée dans le noyau accumbens des rats FR et PR. Notre étude souligne l'importance des circuits d'homéostasie d'énergie hypothalamique et des circuits limbiques dans la réalisation d'une tâche de récompense alimentaire. Étant donné le rôle de l'hypothalamus interne dans la régulation du bilan énergétique, notre étude suggère que ces circuits pourraient contribuer à récompenser la régulation dans le contexte plus large de l'homéostasie énergétique.
les circuits dopaminergiques mésolimbiques (DA), y compris la région tegmentale ventrale (VTA) et les projections sur les sites striatum et cortical, ont été identifiés comme jouant un rôle essentiel dans les aspects motivants ou valorisants de nombreuses classes de drogues (13, 22-24, 26, 48) Des recherches récentes menées par notre laboratoire et d'autres suggèrent que ces circuits jouent également un rôle majeur dans les aspects motivants ou gratifiants de l'alimentation. Des rapports sur la modulation de la récompense alimentaire par l'état nutritionnel des animaux suggèrent des interactions fonctionnelles et anatomiques avec les circuits régulant l'homéostasie énergétique (10, 14, 16, 43) La modulation de la récompense, y compris la récompense alimentaire, en fonction du statut nutritionnel ou métabolique, est fortement influencée par les signaux neuronaux et endocriniens, y compris l'insuline (15), la leptine (11, 18, 21, 30, 32), la ghréline (35), hormone concentrant la mélanine (MCH) (45) et orexin (5, 7): la présence de récepteurs, l'efficacité biochimique et cellulaire et l'efficacité in vivo ou comportementale de ces signaux dans le système nerveux central (SNC) ont été abondamment démontrées ces dernières années.
De même, il a été démontré que les circuits limbiques étendus jouent un rôle dans l’alimentation et la récompense alimentaire (2, 19, 28) Cependant, il existe des sites CNS contributeurs supplémentaires. On sait depuis longtemps que l’hypothalamus latéral (LH) est un comportement de médiation du site sur les comportements d’auto-stimulation et d’auto-stimulation (4, 31) Les neurones Orexinergiques et la signalisation de la leptine dans la LH ont été identifiés comme étant importants pour l'alimentation et la récompense alimentaire (5, 29, 30) Nous avons récemment observé que l’insuline administrée dans le troisième ventricule cérébral ou dans le noyau arqué de l’hypothalamus (ARC) pouvait réduire l’auto-administration de saccharose, mais l’insuline administrée dans le VTA ou le noyau accumbens n’avait aucun effet sur ce paradigme de récompense spécifique (15) Ainsi, il semble que de multiples sites hypothalamiques puissent jouer un rôle important dans la recherche et l’acquisition d’aliments motivés. De ce fait, on pourrait supposer que les régions hypothalamiques sont substantiellement activées en association avec l’auto-administration des aliments. Pour commencer à tester cette hypothèse, nous avons cartographié l’expression de c-Fos dans le SNC de rats entraînés dans un paradigme d’auto-administration de saccharose, après un entraînement à ratios fixes (FR) ou après un entraînement à ratios progressifs (PR), une tâche plus stricte pour évaluer la motivation (20).
Matériels et méthodes
Sujets.
Les sujets étaient des rats mâles albinos (325 à 425 g) de Simonsen (Gilroy, CA). Les rats ont été maintenus sur chow ad libitum. Ils ont été maintenus sur un cycle lumière-obscurité de 12 h 12 avec des lumières allumées à 6 heures du matin et ont été entraînés et testés entre 7 heures et midi, en condition postprandiale et post-absorption. Toutes les procédures effectuées sur les rats ont suivi les directives des National Institutes of Health pour les soins aux animaux et ont été approuvées par le sous-comité de protection et d'utilisation des animaux du comité de recherche et de développement du système de soins de santé VA Puget Sound.
Saccharose auto-administration.
Les procédures étaient basées sur notre méthodologie publiée (15) et ont été effectués sur des rats nourris. L’expérience comportait trois phases: formation automatique pour commencer la formation, formation à la FR et formation à rapports progressifs (PR) à l’aide de l’algorithme PR de Richardson et Roberts (38) L'algorithme PR nécessite 1, 2, 4, 6, 9, 12, 16, 20, 28, 36, 48, 63, 83, 110 etc.) appuie sur le levier pour la distribution de récompenses au cours d’une session (38) Les rats ont été entraînés à s'auto-administrer 5% saccharose (0.5 ml récompense) administré dans un récipient pour gouttes liquide. Les boîtes opérantes, contrôlées par un système Med Associates (Georgia, VT), avaient deux leviers, mais un seul levier (un levier actif et rétractable) activait la pompe à perfusion. Des pressions sur l'autre levier (levier inactif et stationnaire) ont également été enregistrées. Comme nous l'avons observé précédemment, le nombre de pressions sur le levier inactif était très faible (moins de pressions / session 10). La solution de saccharose a été administrée dans un récipient de gouttes liquide pour la consommation orale (Med Associates, St. Albans, Vermont). La formation initiale a été réalisée lors de sessions 1-h dans le cadre d’un programme de renforcement continu (FR1: chaque presse à levier a été renforcée). Chaque session commençait par l’insertion du levier actif et l’illumination d’une lampe blanche de la maison qui restait allumée pendant toute la session. Une tonalité composée (signal 5 s (2900 Hz, 20 dB au-dessus de l'arrière-plan) et légère (lumière blanche 7.5 W au-dessus du levier actif) accompagnait chaque remise de récompense, avec un délai d'attente 20 commençant par la délivrance de saccharose. La formation en FR a été effectuée pendant les jours 10; une réponse stable est atteinte à la cinquième session. La formation des relations publiques a été réalisée pendant un maximum possible de 3 h / jour pendant 10 jours. Les sessions de relations publiques se sont terminées après que 30 min n’ait pas répondu à une pression de levier active; la lumière du domicile a été automatiquement éteinte et le levier actif a été rentré; les rats ont été sortis des chambres et ramenés dans leurs cages. “Stop time” rapporté dans Tableau 2 représente l'heure à laquelle le système a été éteint; par conséquent, la dernière pression de levier active aurait eu lieu 30 min avant l'heure d'arrêt. Données comportementales (Tableau 2) représentent des moyennes de sessions 6-10 pour la formation en FR, et sessions 1-9 pour la formation de relations publiques. Des rats manipulés avec contrôle ont été prélevés dans la pièce d'habitation et placés dans une chambre d'opération propre avec la lumière allumée pendant 60 min, dans la salle d'opération, pour simuler la manipulation et les expériences en salle du saccharose auto-administré par le rat. On ne leur donnait rien à manger ou à boire dans les loges opérant et ils n’avaient pas accès aux leviers.
Le dernier jour, les rats ont été placés dans les chambres selon les jours d'entraînement et ont été conservés dans les chambres pendant 90 minutes, après quoi ils ont été retirés, pour l'anesthésie, la perfusion et l'immunohistochimie ultérieure. Les rats témoins ont également été amenés dans la salle de procédure et conservés dans une chambre opératoire propre, selon les jours d'entraînement, pendant 90 minutes, après quoi ils ont été anesthésiés et perfusés. Immédiatement après cette dernière séance de 90 minutes, les rats ont été profondément anesthésiés par inhalation d'isoflurane et perfusés avec du NaCl à 0.9% suivi d'une solution de paraformaldéhyde froide à 4%. Le moment de l'anesthésie et de l'euthanasie était basé sur l'évolution temporelle connue du pic d'expression de la protéine c-Fos 90 à 120 minutes après l'événement. Ainsi, l'expression de c-Fos refléterait l'activation du SNC au début de la tâche comportementale, plutôt que d'être le résultat de l'expérience des animaux et de l'ingestion de saccharose. Les cerveaux ont été prélevés et postfixés dans du paraformaldéhyde pendant plusieurs jours; puis, ils ont ensuite été placés dans 20% de saccharose-PBS, après quoi ils ont été placés dans une solution à 30% de saccharose-PBS. Les cerveaux ont été sectionnés sur un cryostat (cryostat Leica CM 3050S) pour l'immunohistochimie.
Immunohistochimie et quantification de c-Fos.
Nous avons utilisé notre méthodologie établie pour quantifier la protéine c-Fos immunoréactive dans des sections du cerveau (12) Le criblage qualitatif initial de l'ensemble du cerveau a été effectué pour l'expression de c-Fos. Des coupes coronales du cerveau entier sur des lames 12 montées sur lame ont été lavées fois 3 dans du PBS (Oxoid, Hampshire, UK). Les sections ont ensuite été bloquées pendant 1 h à la température ambiante dans du PBS contenant 5% de sérum de chèvre ou d'âne normal. Les coupes ont ensuite été lavées plusieurs fois dans du PBS et incubées pendant une nuit à 4 ° C dans des solutions d'anticorps primaires préparées dans du PBS. Les coupes ont été lavées trois fois dans du PBS puis incubées à l'obscurité à la température ambiante dans une solution d'anticorps secondaire préparée dans du PBS pour 1h. Les sections ont ensuite été lavées à nouveau dans du PBS et montées et la couverture glissée dans un support de montage dur (Vectashield) (Vector Laboratories, Burlingame, CA). Les images numériques de sections ont été acquises à l'aide d'un microscope à fluorescence Nikon Eclipse E-800 connecté à un appareil photo Optiphot et à l'aide du logiciel Image Pro Plus (Media Cybernetics, Silver Spring, MD).
Par la suite, nous nous sommes concentrés sur un nombre limité de zones montrant une différence apparente entre les conditions, pour la quantification et pour le phénotypage neuronal. Plus précisément, nous nous sommes concentrés sur le noyau et la coque accumbens (NAc); noyau antérieur et postérieur du lit de stria terminalis (aBNST, pBNST); régions hypothalamiques médiales [noyau ventromédial (VMH), hypothalamus dorsomédial (DMH), noyau paraventriculaire (PVN), zone rétrochiasmatique (RCh) et ARC]; hypothalamus latéral (LH), y compris les régions dorsale et ventrale et la région perifornique (PEF); VTA; tronc cérébral [noyau inférieur olive, hypoglossal (nXII) du tractus solitaire, noyau réticulaire latéral et noyaux C1 / A1 adrénaline / noradrénaline]. Des sections 12-µm appariées à l'Atlas ont été évaluées pour l'expression et la quantification de c-Fos dans des sections et régions appariées, sur la base de l'atlas de Paxinos et de Watson (34) S'il te plait regarde Tableau 1 pour des coordonnées stéréotaxiques spécifiques. L'objectif principal des tests était de comparer chaque tâche comportementale avec son contrôle respectif (PR contre PRC; FR contre FRC). Pour optimiser les différences possibles en fonction du comportement par rapport aux conditions de contrôle, des performances maximales des groupes PR et FR ont été sélectionnées pour analyse. Ainsi, les rats 4 / 12 PR et 3 / 12 FR ont été analysés: Ces rats avaient un nombre de pression de levier active (critère principal du comportement) supérieur à un écart-type au-dessus de la moyenne de leur groupe comportemental respectif. Une sous-cohorte de rats témoins (rats 5 PRC et 3 FRC, présents dans la salle de traitement en même temps que les rats FR ou PR) a également été analysée. Un groupe supplémentaire de trois rats a été soumis à la procédure FR («FRext») pour imiter la durée supplémentaire de la procédure PR (c.-à-d. Pendant un total de 20 jours, les rats PR étant pris par FR, puis par PR) afin d'évaluer si les différences entre FR et PR étaient dues à la tâche comportementale ou à la durée de la procédure. Les cerveaux FRext n'ont pas été analysés et criblés systématiquement, mais des régions d'intérêt spécifiques ont été testées avec les quatre autres groupes, afin de permettre une quantification comparative, comme indiqué spécifiquement dans les résultats.
Pour la quantification (à un grossissement 40 ×), des régions appariées à l'atlas ont été sélectionnées. Le logiciel ImagePro Plus (Media Cybernetics) a été utilisé pour capturer une image de la zone souhaitée. Une zone a été délimitée pour le comptage et un seuil pour un nombre de cellules positif a été établi. La zone et le fond identiques (seuil) ont été utilisés pour les sections des groupes expérimentaux respectifs, et le comptage logiciel des cellules positives (quantification) a été effectué au cours de la même session pour tous les groupes expérimentaux, afin d’éviter les changements entre les sessions dans les paramètres de fond. Pour l'analyse statistique, les dénombrements ont été effectués sur un rat individuel uniquement si des sections correspondantes ou complètes de chaque zone (telles que définies dans Tableau 1) étaient disponibles; les données pour une zone spécifique n'ont pas été extraites d'un rat s'il y avait une représentation bilatérale incomplète pour cette zone.
Analyse qualitative par immunofluorescence à double marquage.
Des coupes de cerveau ont été prélevées sur les rats chez lesquels le c-Fos a été quantifié, pour une immunohistochimie à double marquage. Parce que nous ne souhaitions pas perturber les performances comportementales des animaux, ils n'ont pas été prétraités à la colchicine afin d'optimiser la visualisation des neurotransmetteurs peptidiques. Par conséquent, la visualisation des phénotypes neuronaux activés en association avec la tâche d'auto-administration était limitée. Cependant, pour commencer l'évaluation des phénotypes des neurones activés dans un certain nombre de localisations du SNC, des images numériques (acquises comme décrit dans la section ci-dessus) ont été prises à un grossissement de 20 ×, 40 × ou 60 × (comme indiqué dans les légendes de la figure). . La procédure de double coloration pour la glutamate décarboxylase (GAD), la tyrosine hydroxylase (TH), le CRF, le neuropeptide Y (NPY), le peptide lié à Agouti (AgRP) et la tryptophane hydroxylase était comparable au dosage de l'immunoréactivité c-Fos sur son propre, sauf qu'un mélange de c-Fos-Ab et de l'un des autres anticorps primaires a été utilisé pour une incubation d'une nuit à 4 ° C; de même, les deux anticorps secondaires étaient dans la même solution et incubés pendant 1 h dans l'obscurité à température ambiante. Un lavage à l'éthanol à 20% de 50 minutes avant l'étape de blocage a été utilisé pour le dosage de l'orexine. Des tests d'optimisation initiaux ont été effectués pour déterminer une dilution appropriée des anticorps primaires. Les anticorps primaires utilisés étaient anti-c-Fos de lapin (1: 500) (sc-52) et anti-c-Fos de souris (1: 800) (tous deux de Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA); anti-GAD de souris (1: 1,000 1), anti-tyrosine hydroxylase de souris (500: 1) et anti-tryptophane hydroxylase de mouton (tous de Chemicon, Temecula, CA); anti-CRF de lapin (500: 1) (don du Dr Wylie Vale, Salk Institute, CA); anti-NPY de lapin (1,000: 1 1,000), anti-AGRP de lapin (1: 5,000 3) et anti-orexine A de chèvre (488: 1 500), tous de Phoenix Pharmaceutical (St. Joseph, MO). Les anticorps secondaires utilisés étaient des anti-lapin ou anti-souris de chèvre conjugués au Cy1 (Jackson Immunoresearch; West Grove, PA), Alexa Fluor 2,500 chèvre anti-souris ou anti-lapin ou âne anti-mouton IgG (Molecular Probes, Eugene, OR) ; tous les anticorps secondaires ont été dilués à 488: 1. La double immunocoloration c-Fos / MCH a été testée en série; d'abord, pour MCH (500: 5 anticorps primaire, Millipore) avec l'anticorps secondaire Alexa-1-chèvre anti-lapin (500: 3). Les lames ont été rebloquées avec 20% de sérum de chèvre normal et colorées pour l'anti-c-Fos (50: XNUMX) et l'anti-lapin cyXNUMX-chèvre comme anticorps secondaire. Un lavage à l'éthanol à XNUMX% de XNUMX minutes avant l'étape de blocage a été utilisé pour le test MCH.
Analyses statistiques.
Les données de groupe sont présentées sous forme de moyenne ± SE dans le texte, les tableaux et les figures. La signification est définie comme P ≤ 0.05. Des comparaisons statistiques sont effectuées entre les groupes expérimentaux (FR vs PR) ou entre les groupes expérimentaux et les témoins correspondants (PR vs PRC; FR vs FRC) en utilisant des t-tester. Les coefficients de corrélation de Pearson entre les pressions à levier actives et l'expression de c-Fos dans différentes régions du cerveau, ainsi que la corrélation de l'expression de c-Fos entre différentes régions du cerveau dans des conditions expérimentales identiques, ont été calculés à l'aide du programme d'analyse statistique StatPlus: mac LE pour la version Mac OS 2009 par AnalystSoft. Nous avons testé les corrélations linéaires (Pearson's R statistique) entre l’expression de c-Fos dans différentes régions du SNC. Nous avons également examiné les corrélations entre l'expression de c-Fos dans différentes régions activées du système nerveux central et leur comportement. Les données FR et PR de rats, pour lesquelles une quantification de c-Fos a été effectuée, ont été utilisées pour ces corrélations.
RÉSULTATS
Quantification c-Fos.
Comme nous l’avons observé précédemment, le nombre de presses à levier actives était nettement plus élevé pour les performances PR / FR (Tableau 2), et le nombre de récompenses de saccharose était plus élevé pendant la performance FR. La durée de la session pour les rats PR était d'environ 90 min (temps d'arrêt - 30). Tableau 3 répertorie le nombre de cellules immunoréactives c-Fos dans toutes les régions du SNC où la quantification a été effectuée. Le schéma d’expression de c-Fos chez les rats FR et PR est résumé dans Fig. 1. Il y avait une activation significative de l'hypothalamus interne (MHtot, composé de ARC, PVN, RCh, DMH et VMH) de rats pressés au levier PR pour le saccharose, mais pas d’activation globale chez les rats engagés au pressage du levier FR pour le saccharose, par rapport aux témoins respectifs. Dans l'hypothalamus interne des rats PR, cette activation s'est produite dans les cas de PVN, ARC et VMH (Fig. 2). Une pression sur le levier FR, mais pas sur le levier PR, était associée à une activation significative dans la gauche (basée principalement sur l'activation dans la zone péri-numérique). Les pressions au levier actives et l’expression hypothalamique de c-Fos étaient comparables entre les groupes FRext et FR (MHtot, 946 ± 26 et 911 ± 118; ARC, 176 ± 18 et 186 ± 10; LHtot, 468 ± 79 et 378 ± 34; LHpeF, 200 ± 31 et 173 ± 15, respectivement), ce qui suggère que la différence de modèle d'expression entre les groupes FR et PR est liée non à la durée de la formation / de l'expérience, mais à la nature de la tâche instrumentale. Pour le groupe FR, il y avait une augmentation significative de l'expression de c-Fos dans le BNST, observée à la fois dans un aBNST et dans un pBNST. La pression exercée sur les leviers FR et PR était associée à une augmentation du nombre de neurones immuno-positifs à c-Fos dans la coquille de NAc; La numération de c-Fos était significativement accrue dans le noyau de Nac des rats engagés dans le pressage à levier FR, avec une tendance non significative à une augmentation de l'expression de c-Fos chez les rats engagés dans le pressage à levier PR. Le c-Fos n’a pas augmenté dans la VTA avec la tâche PR, bien qu’une tendance non significative vers une augmentation ait été observée avec la tâche FR. Enfin, c-Fos était significativement augmenté dans le noyau hypoglossal (nerf crânien XII) du tronc cérébral de rats entraînés pour PR, mais pas pour FR.
L’expression de c-Fos a été observée dans d’autres régions du système nerveux central, y compris l’amygdale et le cortex cérébral (Fig. 3). Cependant, une expression a été observée à la fois dans les conditions de contrôle et en association avec les tâches PR et FR, suggérant que les aspects non spécifiques de la procédure (manipulation, déplacement dans la salle de procédure) auraient pu entraîner cette activation. La quantification dans ces régions n'a pas été réalisée. De même, une activation dans des régions du tronc cérébral autres que nXII a été observée, mais s'est produite en association à la fois avec des conditions de contrôle et liées à une tâche, suggérant également un rôle dans l'activation non spécifique de l'éveil ou du comportement.
Nous avons testé les corrélations entre l'expression de c-Fos dans différentes régions du SNC. En combinant les données des groupes de pression de levier, nous avons trouvé une corrélation négative entre l'expression de c-Fos dans la LH et la VMH; ainsi, l'activation de la VMH était associée à une diminution de l'activation globale de la LH (Pearson's R-0.7986; t = -3.7534; P = 0.0056). De plus, nous avons observé une corrélation positive significative entre l'expression de c-Fos dans la région périfornienne de la LH et de la VTA (Pearson's R, 0.7772; t = 3.493; P = 0.0082), compatible avec la connectivité monosynaptique connue entre ces deux régions (voir la discussion dans les réf. 2 et 13). Nous avons trouvé une corrélation négative significative entre l'expression de c-Fos dans le VTA et le NAc-shell, si testé séparément pour les performances FR (Pearson's R-0.9262; t = -4.9125; P = 0.008) ou pour la performance PR (Pearson's R-0.9897; t = -9.7624; P = 0.0103), compatible avec les entrées réciproques connues entre les régions striatales de la substantia nigra et de la VTA (2, 13). Nous avons également testé les corrélations entre l'expression de c-Fos dans différentes régions du SNC et le comportement. En combinant les données des groupes de pression de levier, nous avons observé une corrélation positive significative entre c-Fos dans l'ARC et les presses à levier actives (Pearson's R, 0.8208; t = 3.8017; P = 0.0067).
Identification des neurones activés par la consommation de saccharose et motivation pour le saccharose.
Dans le tronc cérébral, les neurones positifs pour c-Fos ne présentaient pas d'immunocoloration positive pour TH, l'enzyme limitant le rythme de l'épinéphrine et de la noradrénaline (et de la dopamine); ainsi, ces neurones catécholaminergiques ne semblaient pas être activés par les tâches FR ou PR. Cependant, certains neurones positifs pour c-Fos ont montré une immunocoloration positive pour la tryptophane hydroxylase, indiquant qu'une population de neurones à sérotonine était activée. Comme représenté sur la Fig. 4, dans l’ARC, les corps cellulaires positifs pour c-Fos étaient entourés de fibres colorées par AGRP, et un motif similaire pour l’immunocoloration des fibres NPY / c-Fos a été observé (non présenté). Dans le PVN, les neurones positifs pour c-Fos semblaient entourer les neurones positifs pour le CRF, mais aucune colocalisation n'a été observée (données non présentées). Fig. 5 montre immunocoloration à la fois orexine et MCH dans la LH. Des neurones à Orexine ont été trouvés dans les deux dLH et peLH. Bien que nous ayons observé des neurones MCH positifs dans la peLH, il n'y avait pratiquement pas de colocalisation avec c-Fos dans cette région de la LH. Cependant, nous avons observé une colocalisation de c-Fos dans des neurones orexine positifs au sein de la peLH (Fig. 6, top) et une colocalisation très limitée de c-Fos avec MCH dans la vLH (Fig. 6, bas). Il convient de souligner à nouveau que la localisation et la colocalisation avec c-Fos peuvent être sous-estimées pour les neurotransmetteurs peptidiques tels que la CRH, car les rats n'ont pas été prétraités à la colchicine. Enfin, dans le noyau accumbens, le noyau et la coque (Fig. 7), la co-immunomarquage de c-Fos avec GAD, l'enzyme de synthèse du neurotransmetteur GABA, a été observée chez les rats FR et PR. Il y avait une forte coloration pour TH dans la VTA; Cependant, les neurones positifs pour c-Fos étaient rarement observés et ne semblaient pas se localiser exclusivement avec la TH.
DISCUSSION
Dans la présente étude, nous avons utilisé l’expression du gène précoce immédiat, c-Fos, pour évaluer le schéma d’activation aiguë du SNC associé à l’apparition de l’auto-administration de saccharose, en tant que tâche relativement peu exigeante (FR) ou secondaire. tâche de plus en plus difficile, conçue pour refléter la recherche motivée d’une récompense, telle que le saccharose, et pour impliquer fortement les circuits limbiques (22, 24, 49) (PR). Les modèles d’activation hypothalamiques différaient entre les deux tâches, l’activation LH / limbique prédominant dans la tâche FR et l’activation hypothalamique / limbique médiale prédominante dans la tâche PR (voir Fig. 1). Il y a plusieurs raisons possibles à cela. Premièrement, ces paradigmes pourraient «cartographier» des expériences qualitativement différentes dans le SNC. Les rats entraînés à la performance FR s'attendaient à une activité facile et très rentable. L'anticipation d'un aliment enrichissant devrait fortement influencer le schéma de c-Fos observé chez les rats FR. La différence qualitative apparente dans le modèle d’activation suggère qu’une deuxième possibilité, à savoir que les animaux PR aient simplement plus d’expérience de la tâche, est moins probable. Cette hypothèse était corroborée par notre mesure de c-Fos dans l’hypothalamus des rats ayant reçu des sessions 20 FR. , qui a montré une activité similaire au groupe FR, pas au groupe PR. On pourrait tester ces deux possibilités en augmentant systématiquement la difficulté de l’entraînement en RF et en évaluant les modifications de l’activation du SNC, auquel cas on pourrait prédire un changement qualitatif du schéma d’activation. Cependant, alors que le nombre d’expériences de formation peut ne pas tenir compte du schéma d’activation du système nerveux central, le nombre moyen de récompenses au saccharose d’une session peut être le suivant: la tâche de relations publiques peut simplement être apprise comme une expérience «moins enrichissante», ce qui peut être lié de manière fonctionnelle à la manque d'activation de LH. Ainsi, le schéma d'activation du SNC au début de la session peut refléter un état interoceptif, tel que celui du paradigme de lieu conditionné: la force d'activation au sein des circuits limbiques est liée à l'apprentissage et à la motivation. Nous avons observé la variabilité de l'expression de c-Fos dans l'hypothalamus interne des animaux FRC. En particulier dans le PVN, cette variabilité pourrait masquer l’activation chez les rats FR, pour lesquels on a observé une tendance à une augmentation de c-Fos par rapport aux rats FRC (Tableau 3). Cependant, l'activation hypothalamique médiale globale ne différait pas entre les animaux FR et FRC.
Il convient de noter que, bien que notre objectif ait été d'identifier les sites du système nerveux central contribuant à l'apparition d'un comportement, la résolution temporelle est en quelque sorte une considération. Comme discuté ci-dessous, il est maintenant évident que différents sous-composants de comportements instrumentaux ou opérants sont médiés par l'activation de différentes populations de neurones (13, 23, 33, 49). Nous ne pouvons pas complètement exclure que l'activation due à une pression ou à un léchage très immédiat des récompenses ait pu contribuer quelque peu aux modèles d'activation que nous avons observés. Nos résultats fournissent une base pour des recherches plus approfondies sur les rôles de sites spécifiques du SNC dans différents aspects ou composants de la tâche d’auto-administration, et pour de telles études, la mesure d’autres gènes précoces immédiats avec des temps différents «en» et «hors» (36) sera très utile.
Les corrélations que nous avons trouvées dans l'expression de c-Fos entre différentes régions du cerveau supportent la connectivité fonctionnelle connue des régions hypothalamiques et limbiques primaires pour cette tâche de récompense particulière, telle qu'entre la LH et le VMH, et entre la région perifornique de la LH et la VTA. (Voir la discussion dans les références. 2 et 13). Nous avons également examiné les corrélations entre l'expression de c-Fos dans différentes régions activées et le comportement. La corrélation entre les c-Fos dans l’ARC et les presses à levier actives s’inscrit dans le rôle bien défini de l’activité de l’ARC dans la prise de nourriture (1) avec notre observation précédente que l'injection d'insuline spécifiquement dans l'ARC diminuait l'auto-administration de saccharose (15) avec des rapports antérieurs sur le rôle critique du CRA et de ses neurones endorphinergiques dans l'acquisition et la performance de l'auto-administration de cocaïne (40-42) et avec les projections identifiées du CRA vers le NAc (17). Ainsi, l'ARC joue probablement un rôle clé dans le comportement motivé pour rechercher et obtenir de nombreux types de stimuli gratifiants, y compris, mais sans s'y limiter, l'alimentation. Enfin, nous avons observé une activation significative du PVN et du VMH avec l'apparition de la recherche de saccharose par le PR. Cela concorde avec les rôles bien caractérisés de ces noyaux hypothalamiques médians dans la régulation de la prise alimentaire, la connectivité synaptique directe avec l'ARC et les connexions identifiées avec le circuit limbique (1, 27, 37).
Nous avons trouvé une corrélation négative significative entre l'expression de c-Fos dans le VTA par rapport au NAc-shell, qu'elle ait été testée pour la performance de FR ou de PR. Il était quelque peu surprenant qu'une activation plus forte de la VTA n'ait pas été observée en association avec l'auto-administration de saccharose PR ou FR (par rapport aux contrôles respectifs). Cette constatation reflète peut-être le moment choisi pour notre mesure, en se concentrant sur les sites potentiels du système nerveux central actifs au début de la tâche, pour lesquels ces animaux étaient bien entraînés. Cela serait conforme aux observations et à la thèse de Schultz (44), l’activation neuronale dopaminergique sert de marqueur de stimuli ou de récompenses inattendus et cette activation décroît en même temps que l’entraînement. Cependant, il a été démontré que la libération de dopamine dans le striatum lors de la prise de saccharose chez des animaux dressés se présentait comme un événement très précis et temporellement discret (39). Ainsi, il est possible que les tendances que nous avons observées soient fortement significatives avec un groupe d’étude plus large (c’est-à-dire plus de puissance statistique). Nous avons observé l'activation de NAc en association avec le début de la prise de saccharose FR et PR. L’activation et l’inhibition des neurones NAc ont été rapportées en association avec la performance de récompense instrumentale, et le schéma d’activation / activité dépend de la formation et de l’environnement, et est associé à différentes composantes du comportement (orientation, approche, absorption) (6, 33, 50). Comme discuté ci-dessus, la mesure de c-Fos ne capturerait pas une telle activité spécifique. Carlezon a proposé que la «récompense» soit principalement associée à une diminution de l’activité des neurones NAc, c’est-à-dire des neurones épineux moyens (3). Cela ne correspond pas à nos observations - cSCos nettement plus NAc comparés aux contrôles de manipulation et aux neurones c-Fos positifs co-localisés avec GAD, compatibles avec l'activation de neurones épineux moyens (GABAergiques) - mais nous n'avons pas spécifiquement évalué l'inhibition neuronale «NAc». ”. L'activation et l'inhibition de NAc peuvent se produire lors de tâches instrumentales, avec une spécificité à la fois anatomique et temporelle. Du point de vue de cette étude, on peut conclure que l’ANac est impliqué dans le début de la prise de saccharose instrumentale, le cœur de l’ANac contribuant à l’activation motrice et la coque de l’ACN contribuant aux aspects à la fois moteur et motivationnel de la tâche.
Nous avons également observé l'activation des deux régions principales de la BNST (antérieure et postérieure) chez le rat FR. Le BNST est une partie du circuit limbique qui module les réponses neuroendocriniennes à des expériences de stimulus répétées (8, 9), et dans un sens plus large, est associé à l’apprentissage des stimuli récurrents. Bien que son rôle ait été élucidé de manière plus complète en relation avec des expériences répétées de stress, notre conclusion suggère un rôle plus large pour le BNST: le BNST peut moduler les réponses du système nerveux central aux stimuli positifs, aussi bien négatifs que stressants. Étant donné que nous avons observé cette activation au début de la performance FR, mais pas celle des relations publiques, le recrutement au BNST peut être lié aux avantages accrus de la formation FR pour le saccharose. Notre observation de l'absence d'activation directe des neurones CRF suggère que la réponse instrumentale au saccharose n'est pas un facteur de stress majeur. cependant, l’expression de c-Fos dans d’autres neurones PVN est compatible avec la modulation des circuits de stress (46). En fait, Ulrich-Lai et ses collègues ont rapporté que, en utilisant un paradigme diététique différent, la prise de saccharose module la fonction du PVN (47). Enfin, nous avons observé l'activation du noyau du nerf hypoglossal en association avec la performance de PR mais pas de FR. La signification de ceci ne peut être spéculée que sur; Une possibilité est que la pertinence gustative du saccharose puisse être accrue chez les rats qui ingèrent moins de récompenses de saccharose.
La recherche de saccharose et la prise de saccharose doivent être considérées comme une expérience multimodale dynamique dans le temps, car l'ingestion entraînerait des signaux périphériques liés au contenu calorique du saccharose, ainsi qu'une habituation et une allihésie intra-session (25). Bien que nos recherches se soient concentrées sur l’influence des signaux endocriniens périphériques, c’est-à-dire l’insuline et la leptine, pour moduler la récompense alimentaire, leurs effets peuvent à leur tour être directement médiés par les émetteurs et les neuropeptides qui jouent un rôle à court ou à long terme. alimentation ou récompense alimentaire (voir la discussion dans la réf. 14). La présente étude fournit quelques indications à ce sujet; nous avons observé une activation des neurones qui expriment soit MCH, soit de l'orexine, deux neuropeptides qui sont orexigènes. Ces résultats pourraient en fait sous-estimer le rôle de la SMI ou de l'orexine dans la récompense alimentaire, l'immunocytochimie chez les rats non traités à la colchicine limitant sans doute la visualisation de ces deux neuropeptides. L’identification des neurones orexine activés dans la LH est globalement conforme aux nombreuses études impliquant les neurones orexine dans l’alimentation, la récompense alimentaire, et une récompense de stimulus plus généralisée (par exemple, 5, 7, 29). Nous avons observé l'activation des neurones peFLH ou orexine. Aston-Jones et ses collègues (5) ont disséqué les rôles de différentes populations de neurones LH orexine dans le comportement de récompense et ont impliqué les neurones peFLH orexine dans l’excitation, par opposition à la récompense en soi. Notre découverte suggère donc un rôle de la LH orexine dans l'excitation, et peut-être une orientation vers le levier actif ou des indices pour la prise de saccharose.
Digne de l'attention future est l'unicité ou la généralisabilité du saccharose en tant que stimulant enrichissant. Que le modèle d'activation précoce du SNC que nous rapportons ici soit spécifique à l'alimentation, ou généralisé à d'autres stimulants valorisants, reste à déterminer. Comme mentionné ci-dessus, en particulier dans la tâche FR, l'ingestion d'un certain nombre de récompenses au saccharose devrait avoir des conséquences métaboliques, avec une modulation de la libération d'hormones (par exemple, la cholécystokinine, la ghréline, l'insuline) et des modifications de l'activation neurale périphérique et du SNC. Ces changements ne devraient pas jouer de rôle direct dans les premiers modèles d'activation du SNC que nous avons mesurés, mais pourraient jouer un rôle dans l'apprentissage de la récompense en saccharose pendant la formation. Encore une fois, des neuropeptides tels que l'orexine peuvent être impliqués de manière critique.
Notre étude représente, à notre connaissance, la première démonstration de l'activation de noyaux hypothalamiques médiaux spécifiques au début de l'auto-administration de saccharose, incluant à la fois le PVN, impliqué dans l'homéostasie et la réactivité au stress, et l'ARC, essentiel pour l'homéostasie énergétique, détection des nutriments et régulation de la prise alimentaire. Fait important, nous avons observé l'activation de l'hypothalamus interne et de la NAc, en association avec l'apparition de la RP, suggérant que les sites homéostatique et certains sites limbiques jouent un rôle dans l'initiation de l'auto-administration de saccharose. Des sites de circuits limbiques supplémentaires peuvent être recrutés à un moment ultérieur de la tâche.
Perspectives et signification
Tandis que, historiquement, les études sur les comportements de motivation et de récompense impliqueraient le plus fortement les circuits limbiques du SNC, un grand nombre de preuves a été accumulé qui met en évidence l’interaction fonctionnelle critique entre les circuits d’homéostasie limbique et énergétique. L’étude actuelle suggère maintenant l’importance probable de noyaux hypothalamiques médians spécifiques dans le travail motivé du saccharose. En extrapolant à partir de cette étude, de futures études peuvent évaluer si le rôle de l'hypothalamus interne est requis et si son activation est impliquée dans la recherche motivée d'autres avantages tels que l'abus de drogues. En outre, les résultats de cette étude fournissent la raison d’étudier les modifications des comportements motivés dans des circonstances concomitantes à une modification de la physiologie hypothalamique interne, comme dans le cas de l’obésité.
SUBVENTIONS
Cette recherche a été financée par la subvention DK40963 des National Institutes of Health. Dre Dianne Figlewicz Lattemann est chercheuse principale en sciences de la recherche, programme de recherche en laboratoire biomédical, système de soins de santé de Puget Sound du ministère des Anciens Combattants, Seattle, Washington. M. Sipols bénéficie du soutien de la subvention 04.1116 du Conseil des sciences de la Lettonie.
REMERCIEMENTS
Nous remercions les Drs. Yavin Shaham, Stephen Benoit, Christine Turenius et JE Blevins pour des conseils et des discussions utiles.
Références
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