The role of dorsal raphe nucleus and serotonin in fear conditioning

Abstract

Lærings- og hukommelsesprosesser er avgjørende for å overleve for enhver art, og evnen til å lære og forutsi hvilke situasjoner eller miljømessige sammenhenger som er lønnsomme eller farlige kan være fordelaktig. Både nevrotransmitter 5-HT og den viktigste produserende hjernestrukturen, dorsal raphe nucleus (DRN). har blitt involvert til å spille en rolle i slike læringsprosesser. DRN, en strukturdel av raphe-kjernene, er videre kjent for å innehaver kortikale områder og strukturer i hjernestammen, og gitt sitt brede kretsløp til områder som betjener forskjellige funksjoner i virveldyrets CNS, anses det å utøve en rolle som involverer et område av kognitive prosesser, derunder læring. Imidlertid er det ikke helt forstått hvordan 5-HT DRN-nevroner er involvert i disse prosessene, og i hvilken grad nevrotransmitteren 5-HT spiller en rolle. For å teste hypotesen om 5-HT-nevroner fra DRN som var involvert i læring, ble en betinget atferdsanalyse (CPA) atferdsanalyse brukt for å teste operatør fryktkondisjonering, for å undersøke rollen til 5-HT DRN nevroner i læring. Ved eksperimentelt arbeid i et vertslaboratorium ble 3-4 uker gamle transgene sebrafisklarver brukt og ikke-invasive kjemogenetiske manipulasjoner ble utført for spesifikt å ablere 5-HT DRN nevroner i disse dyrene. Som respons på den kjemogenetiske ablasjonen var det ingen tegn til motorsykdom, overlevelse og vekstproblemer for dyrene. I en CPA-protokoll som involverte bruk av en mild aversiv stimulans (elektrisk sjokk), viste 5-HT DRN-abstrakt sebrafisk en signifikant reduksjon i læringsytelse sammenlignet med kontrolldyr, og svekkelsen i læring var tydelig for flere parametere for dyreprestasjoner. Ved farmakologiske manipulasjoner ved bruk av medisiner rettet mot 5-HT siktet vi videre å undersøke om underskuddet i læringsytelse var relatert til nevrotransmitteren 5-HT alene. 5-HT DRN abstrakt sebrafisk behandlet med både buspiron og fluoksetin i separate eksperimenter viste ingen bedring i læringsytelsen og viste ingen vesentlig forskjell i CPA-protokollen. Til slutt avslørte immunhistokjemisk farging rettet mot fosforylerte ERK aktivitetsmønstre i dorsaltelencephalon (forhjernen) av 5-HT DRN-nevroner forskjellig fra kontrolldyr, og viser forhøyede aktivitetsmønstre i Dm- og Dl-områdene i sebrafisk ryggtelencephalon. Avslutningsvis gir resultatene fra denne oppgaven bevis på at 5-HT-nevroner i DRN er involvert i læring som involverer en fryktkomponent.

Learning and memory processes are essential for survival for any species, and the ability to learn and predict which situations or environmental contexts are profitable or hazardous can be beneficial. Both neurotransmitter 5-HT and its main producing brain structure, the dorsal raphe nucleus (DRN). has been implicated to play a role in such learning processes. The DRN, a structure part of the raphe nuclei, is further known to widely innervates cortical areas and structures of the brain stem and given its wide circuitry to areas serving different functions in the vertebrate CNS, it is deemed to exert a role involving a range of cognitive processes, thereunder learning. However, it is not fully understood how 5-HT DRN neurons are involved in these processes, and to what extent the neurotransmitter 5-HT plays a role. To test the hypothesis of the 5-HT neurons of the DRN being involved in learning, a conditioned place avoidance (CPA) behavioral assay was used for testing operant fear conditioning, to examine the role of 5-HT DRN neurons in learning.

By experimental work in a host lab, 3-4 week-old transgenic zebrafish larvae were used and non-invasive chemogenetical manipulations were performed to specifically ablate 5-HT DRN neurons in these animals. In response to the chemogenetic ablation there were no signs of motor disease, survival, growth problems for the animals. In a CPA protocol involving the use of a mild aversive stimulus (electrical shock), 5-HT DRN ablated zebrafish showed a significant decrease in learning performance compared to control animals, and the impairment in learning was evident for multiple parameters of animal performance. Furthermore, by pharmacological manipulations by use of drugs targeting 5-HT, we aimed to explore whether the deficit in learning performance was related to the neurotransmitter 5-HT alone. 5-HT DRN ablated zebrafish treated with both buspirone and fluoxetine in separate experiments showed no improvement in learning performance and did not show any substantial difference in the CPA protocol. Lastly, immunohistochemical staining targeting phosphorylated ERK revealed activity patterns in the dorsal telencephalon (forebrain) of 5-HT DRN neurons different from control animals, showing elevated patterns of activity in the Dm and Dl areas of the zebrafish dorsal telencephalon. In conclusion, the results of this thesis provide evidence that 5-HT neurons in the DRN are involved in learning that involves a fear component.