abstract: Sensory gating is a process by which the nervous system preferentially admits stimuli that are important for the organism while filtering out those that may be meaningless. An optimal sensory gate cannot be static or inflexible, but rather plastic and informed by past experiences. Learning enables sensory gates to recognize stimuli that are emotionally salient and potentially predictive of positive or negative outcomes essential to survival. Olfaction is the only sensory modality in mammals where sensory inputs bypass conventional thalamic gating before entering higher emotional or cognitive brain regions. Thus, olfactory bulb circuits may have a heavier burden of sensory gating compared to other primary sensory circuits. How do the primary synapses in an olfactory system "learn"' in order to optimally gate or filter sensory stimuli? I hypothesize that centrifugal neuromodulator serotonin serves as a signaling mechanism by which primary olfactory circuits can experience learning informed sensory gating. To test my hypothesis, I conditioned genetically-modified mice using reward or fear olfactory-cued learning paradigms and used pharmacological, electrophysiological, immunohistochemical, and optical imaging approaches to assay changes in serotonin signaling or functional changes in primary olfactory circuits. My results indicate serotonin is a key mediator in the acquisition of olfactory fear memories through the activation of its type 2A receptors in the olfactory bulb. Functionally within the first synaptic relay of olfactory glomeruli, serotonin type 2A receptor activation decreases excitatory glutamatergic drive of olfactory sensory neurons through both presynaptic and postsynaptic mechanisms. I propose that serotonergic signaling decreases excitatory drive, thereby disconnecting olfactory sensory neurons from odor responses once information is learned and its behavioral significance is consolidated. I found that learning induced chronic changes in the density of serotonin fibers and receptors, which persisted in glomeruli encoding the conditioning odor. Such persistent changes could represent a sensory gate stabilized by memory. I hypothesize this ensures that the glomerulus encoding meaningful odors are much more sensitive to future serotonin signaling as such arousal cues arrive from centrifugal pathways originating in the dorsal raphe nucleus. The results advocate that a simple associative memory trace can be formed at primary sensory synapses to facilitate optimal sensory gating in mammalian olfaction. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Biology 2012

A exposição de roedores ao labirinto em cruz elevado (LCE) aumenta a esquiva aos braços abertos e leva à perda do efeito de fármacos ansiolíticos numa reexposição ao aparelho, um fenômeno conhecido como one-trial tolerance (OTT). Dentre as hipóteses sugeridas para explicar a OTT estão a mudança qualitativa de estado emocional e a habituação da atividade locomotora. O presente estudo investigou os efeitos de exposições sucessivas de camundongos ao LCE sobre os níveis de corticosterona plasmática. Ainda, o estudo empregou injeção sistêmica de diazepam antes do teste e reteste para avaliar se a experiência prévia com o fármaco também poderia influenciar o comportamento numa reexposição. Com base em evidências sugestivas do envolvimento de receptores 5-HT1A, 5-HT2A e 5-HT2C da porção dorsal da matéria cinzenta periaquedutal (MCPd) na modulação da ansiedade o presente estudo também examinou os efeitos dos agonistas de receptores 5-HT1A 8-OH DPAT (5,6 e 10 nmol), 5-HT2A/2C DOI (2 e 8 nmol) e 5-HT2C MK-212 (21,2 e 63,6 nmol) sobre o comportamento de camundongos que receberam microinjeções intra-MCPd antes do teste e reteste no LCE. Os resultados com o diazepam mostraram um efeito ansiolítico no teste, mas não no reteste. Os resultados mostraram que a hipótese de habituação do comportamento exploratório é contraposta por aumentos nos níveis de corticosterona plasmática tanto no teste como no reteste. Além disso, 8-OH-DPAT (5,6 e 10 nmol) não produziu efeitos sobre o comportamento de camundongos, enquanto as microinjeções de DOI (8 nmol) produziram um efeito antiaversivo na reexposição somente em animais que receberam o mesmo tratamento intra-MCPd antes do teste. A administração sistêmica de eplivanserina (0,1 mg/Kg), um antagonista de receptores 5-HT2A antes do reteste não foi conclusiva na tentativa de elucidar o subtipo de receptor envolvido no efeito antiaversivo do DOI. Além disso, o tratamento intra-MCPd com MK-212 (63,6 nmol) foi ansiolítico em ambos o teste e reteste. Haja vista que reexposição ao LCE pode eliciar uma emoção diferente daquela desencadeada numa primeira exposição, o agonista DOI intra-MCPd (8 e 16 nmol) foi testado em um modelo de interação presapredador, o teste de exposição ao rato (TER), no qual um resultado sugestivo de efeito próaversivo foi obtido. Esses resultados confirmam a MCPd como uma estrutura crucial na neurobiologia da OTT, além de demonstrarem a participação de receptores 5-HT2A e 5-HT2C dessa estrutura mesencefálica no estado emocional induzido pela exposição e reexposição de camundongos ao LCE. / A single exposure to the elevated plus-maze test (EPM) increases open arms avoidance and reduces or abolishes the anxiolytic-like effect of benzodiazepines assessed during a second trial, a phenomenon defined as \"one trial tolerance\" (OTT). Among other hypothesis, the OTT is considered to be due to a qualitative shift in the emotional state across the test-retest sessions or a locomotor habituation. The present study investigated the corticosterone levels in mice successively exposed to the EPM. The study also investigated whether the drug experience with diazepam prior to test and retest could also change the anxiety-like behaviour on a second trial. Given that intra-dPAG injections of a wide range of serotonergic 5-HT1A, 5-HT2A and 5-HT2C receptor agonists produce anxiolytic-like effects in rodents, the present study examined the effects of the 5-HT1A receptor agonist 8-OH-DPAT (5.6 and 10 nmol) the preferential 5-HT2A receptor agonist DOI (2 and 8) and the preferential 5-HT2C receptor agonist MK-212 (21.2 and 63.6 nmol) microinjected into the dPAG prior to Trial 1 and Trial 2 on the behaviour of mice in the EPM. The results showed that diazepam provoked an anxiolytic-like effect on trial 1 but a lack of effect on trial 2. The locomotor habituation hypothesis is contradicted by present results showing an enhanced level of plasmatic corticosterone on both test and retest. Furthermore, the results showed a lack of 8-OH-DPAT (5.6 and 10 nmol) effect on the behaviour of maze-naïve and maze-experienced mice, while intra-dPAG microinfusions of DOI (8 nmol) reduced anxiety-like behaviour only in maze-experienced mice that had received a similar treatment prior to Trial 1. The systemic treatment with the 5-HT2A antagonist eplivanserin (0.1mg/kg) prior to trial 2 was not conclusive to elucidate the 5-HT subtype receptor involved in the antiaversive effect of DOI. Moreover, intra-dPAG MK-212 (63.6nmol) showed an anxiolytic-like effect on both Trial 1 and Trial 2. As the trial 2 may induce a different emotional state, intra-PAG infusions of DOI (8 and 16 nmol) were performed in a prey-predator interaction model, the rat exposure test (RET), which resulted in a suggestive proaversive effect. Overall the results support the dPAG as a crucial structure involved in the neurobiology of the OTT phenomenon as well as accounting the role of the 5-HT2A and 5-HT2C receptors located within this midbrain structure on the emotional state induced by EPM test and retest paradigm in mice.

A exposição de roedores ao labirinto em cruz elevado (LCE) aumenta a esquiva aos braços abertos e leva à perda do efeito de fármacos ansiolíticos numa reexposição ao aparelho, um fenômeno conhecido como one-trial tolerance (OTT). Dentre as hipóteses sugeridas para explicar a OTT estão a mudança qualitativa de estado emocional e a habituação da atividade locomotora. O presente estudo investigou os efeitos de exposições sucessivas de camundongos ao LCE sobre os níveis de corticosterona plasmática. Ainda, o estudo empregou injeção sistêmica de diazepam antes do teste e reteste para avaliar se a experiência prévia com o fármaco também poderia influenciar o comportamento numa reexposição. Com base em evidências sugestivas do envolvimento de receptores 5-HT1A, 5-HT2A e 5-HT2C da porção dorsal da matéria cinzenta periaquedutal (MCPd) na modulação da ansiedade o presente estudo também examinou os efeitos dos agonistas de receptores 5-HT1A 8-OH DPAT (5,6 e 10 nmol), 5-HT2A/2C DOI (2 e 8 nmol) e 5-HT2C MK-212 (21,2 e 63,6 nmol) sobre o comportamento de camundongos que receberam microinjeções intra-MCPd antes do teste e reteste no LCE. Os resultados com o diazepam mostraram um efeito ansiolítico no teste, mas não no reteste. Os resultados mostraram que a hipótese de habituação do comportamento exploratório é contraposta por aumentos nos níveis de corticosterona plasmática tanto no teste como no reteste. Além disso, 8-OH-DPAT (5,6 e 10 nmol) não produziu efeitos sobre o comportamento de camundongos, enquanto as microinjeções de DOI (8 nmol) produziram um efeito antiaversivo na reexposição somente em animais que receberam o mesmo tratamento intra-MCPd antes do teste. A administração sistêmica de eplivanserina (0,1 mg/Kg), um antagonista de receptores 5-HT2A antes do reteste não foi conclusiva na tentativa de elucidar o subtipo de receptor envolvido no efeito antiaversivo do DOI. Além disso, o tratamento intra-MCPd com MK-212 (63,6 nmol) foi ansiolítico em ambos o teste e reteste. Haja vista que reexposição ao LCE pode eliciar uma emoção diferente daquela desencadeada numa primeira exposição, o agonista DOI intra-MCPd (8 e 16 nmol) foi testado em um modelo de interação presapredador, o teste de exposição ao rato (TER), no qual um resultado sugestivo de efeito próaversivo foi obtido. Esses resultados confirmam a MCPd como uma estrutura crucial na neurobiologia da OTT, além de demonstrarem a participação de receptores 5-HT2A e 5-HT2C dessa estrutura mesencefálica no estado emocional induzido pela exposição e reexposição de camundongos ao LCE. / A single exposure to the elevated plus-maze test (EPM) increases open arms avoidance and reduces or abolishes the anxiolytic-like effect of benzodiazepines assessed during a second trial, a phenomenon defined as \"one trial tolerance\" (OTT). Among other hypothesis, the OTT is considered to be due to a qualitative shift in the emotional state across the test-retest sessions or a locomotor habituation. The present study investigated the corticosterone levels in mice successively exposed to the EPM. The study also investigated whether the drug experience with diazepam prior to test and retest could also change the anxiety-like behaviour on a second trial. Given that intra-dPAG injections of a wide range of serotonergic 5-HT1A, 5-HT2A and 5-HT2C receptor agonists produce anxiolytic-like effects in rodents, the present study examined the effects of the 5-HT1A receptor agonist 8-OH-DPAT (5.6 and 10 nmol) the preferential 5-HT2A receptor agonist DOI (2 and 8) and the preferential 5-HT2C receptor agonist MK-212 (21.2 and 63.6 nmol) microinjected into the dPAG prior to Trial 1 and Trial 2 on the behaviour of mice in the EPM. The results showed that diazepam provoked an anxiolytic-like effect on trial 1 but a lack of effect on trial 2. The locomotor habituation hypothesis is contradicted by present results showing an enhanced level of plasmatic corticosterone on both test and retest. Furthermore, the results showed a lack of 8-OH-DPAT (5.6 and 10 nmol) effect on the behaviour of maze-naïve and maze-experienced mice, while intra-dPAG microinfusions of DOI (8 nmol) reduced anxiety-like behaviour only in maze-experienced mice that had received a similar treatment prior to Trial 1. The systemic treatment with the 5-HT2A antagonist eplivanserin (0.1mg/kg) prior to trial 2 was not conclusive to elucidate the 5-HT subtype receptor involved in the antiaversive effect of DOI. Moreover, intra-dPAG MK-212 (63.6nmol) showed an anxiolytic-like effect on both Trial 1 and Trial 2. As the trial 2 may induce a different emotional state, intra-PAG infusions of DOI (8 and 16 nmol) were performed in a prey-predator interaction model, the rat exposure test (RET), which resulted in a suggestive proaversive effect. Overall the results support the dPAG as a crucial structure involved in the neurobiology of the OTT phenomenon as well as accounting the role of the 5-HT2A and 5-HT2C receptors located within this midbrain structure on the emotional state induced by EPM test and retest paradigm in mice.

Há estudos que mostraram que o ácido N-metil-D-aspártico (NMDA), microinjetado nas estruturas do teto mesencefálico (corpos quadrigêmeos) de ratos evoca comportamentos defensivos do tipo pânico que podem ser seguidos por uma resposta antinociceptiva. Tem sido sugerido que respostas defensivas relacionadas ao medo organizadas por neurônios do tronco cerebral podem ser moduladas por projeções ascendentes mediadas pelo neurotransmissor 5-hidroxitriptamina (5-HT) do núcleo dorsal da rafe (NDR), e fenômenos antinociceptivos induzidos pelo medo inato podem ser organizados por vias serotoninérgicas descendentes também originadas no NDR. Os neurônios do NDR que originam tais conexões, por sua vez, podem ser moduladas por monoaminas que recrutam receptores 5-HT2A localizados no NDR. Não obstante, háuma escassez de estudos mostrando o papel dos receptores 5-HT2A do NDR na modulação do comportamento do tipo pânico e da antinocicepção induzida pelo medo inato organizados nos colículos superiores e inferiores. O objetivo deste estudo foi investigar a participação dos receptores 5-HT2A do NDR na modulação do comportamento de defesa organizado pelos corpos quadrigêmeos e da antinocicepção induzida pelo medo evocados por microinjeções de NMDA nos corpos quadrigêmeos. No experimento I, os animais receberam microinjeção de veículo (NaCl 0,9% / 0,2?L) ou 6, 9 e 12 nmol NMDA no CI. No experimento II, foi realizado o pré-tratamento do NDR com microinjeções de veículo ou o antagonista seletivo do receptor 5HT2A (R-96544) nas concentrações de 5, 10 e 15 nM. Dez minutos depois, o NMDA na dose mais efetiva (12 nmol) foi injetado no CI. Em ambos os experimentos, as respostas defensivas foram analisadas quantitativamente durante 10 min e, em seguida, as latências de retirada de cauda foram medidas a intervalos de 10 min durante 70 min. No experimento III, os animais receberam microinjeção de salina fisiológica ou NMDA (6, 9 e 12 nmol) nas cpSC. No experimento IV, a dose mais efetiva de NMDA (12 nmol) ou veículo foi precedida por microinjeções de veículo ou antagonista seletivo do receptor 5HT2A (R- 96544) em diferentes concentrações, 0.5, 5 e 10 nM. Ambos os efeitos pró-eversivos e antinociceptivos provocados pelas injecções intra-cpCS de NMDA foram atenuados pelo pré-tratamento do NDR com R-96544. No experimento V, a análise morfológica mostrou que os receptores 5-HT2A estão presentes nos interneurônios GABAérgicos do NDR. Em conjunto, esses achados sugerem que o bloqueio dos receptores 5-HT2A no NDR é capaz de atenuar tanto o comportamento defensivo do tipo pânico quanto a antinocicepção induzida pelo medo organizada pelos corpos quadrigêmeos. / There are studies that suggest that N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) microinjected into the midbrain tectum structures, such corpora quadrigemina, of rats evokes panic-like defensive behaviours that can be followed by an antinociceptive response. It has been suggested that fear-related defensive responses organised by brainstem neurons can be modulated by ascending projections mediated by the neurotransmitter 5-hydroxytryptamine (5-HT) of the dorsal raphe nucleus (DRN), and phenomena of innate fear-induced antinociception can be organised by descending serotonergic pathways also originating from the DRN. The DRN neurons that give rise to such connections, in turn, can be moduled by monoamines that recruit 5-HT2A receptors located in the DRN. Nevertheless, there is a shortage of studies showing the role of DRN 5-HT2A receptors in the modulation of panic-like behaviour and innate fearinduced antinociception organised by superior and inferior colliculi. The purpose of this study was to investigate the participation of DRN 5-HT2A receptors in the modulation of panic-like behaviour and antinociception evoked by corpora quadrigemina injections of NMDA. In experiment I, the animals received microinjection of vehicle (0.9%NaCl/0.2?L) or 6, 9 and 12 nmol NMDA into the IC. In experiment II, it was performed the pretreatment of DRN with microinjections of vehicle or the 5HT2A receptor selective antagonist (R-96544) in a concentration of 5, 10 and 15 nM. Ten minutes later, NMDA at the most effective dose (12nmol) was injected in the IC. In both experiments, the defensive responses were quantitatively analysed for 10 min and then the tail-flick withdrawal latencies were measured at 10 min-intervals for 70 min. In experiment III, the animals received microinjection of physiological saline or NMDA (6, 9 and 12 nmol) into the deep layers of SC (dlSC). In experiment IV, the most effective dose of NMDA (12 nmol) or vehicle was preceded by microinjections of vehicle or 5HT2A receptor selective antagonist (R-96544) at different concentrations (0.5, 5, and 10 nM). Both proaversive and antinociceptive effects elicited by intra-dlSC injections of NMDA were attenuated by the pretreatment of the DRN with R-96544. In experiment V, the morphological analysis showed that 5-HT2A receptors are present in GABAergic interneurons in the DRN. Taken together, these findings suggest that the blockade of DRN 5-HT2A receptors decreased both panic attack-like defensive behaviour and fear- induced antinociception organised by the corpora quadrigemina neurons.

Sabe-se que o medo condicionado contextual (MCC) pode ativar diversas áreas mesencefálicas, como a Substância Cinzenta Periaquedutal Dorsal (SCPd). Diversos estudos avaliaram como mecanismos serotoninérgicos modulam o comportamento defensivo induzido pela estimulação elétrica da SCPd. Uma função proeminente dos receptores 5-HT2A é regular estados aversivos induzidos pela ativação da SCPd e, apesar de saber que experiências aversivas prévias exercem um importante papel em determinados tipos de ansiedade, somente estudos com estimulação da SCPd de ratos sem experiência aversiva prévia foram conduzidos até o momento. O objetivo do presente estudo foi investigar o papel funcional dos receptores 5-HT2A localizados nos substratos neurais da aversão na SCPd de ratos previamente submetidos ao condicionamento contextual aversivo. Foram avaliadas as respostas de congelamento e fuga obtidas a partir do procedimento de estimulação elétrica da SCPd na sessão teste, realizada 24 horas após o condicionamento, quando os animais foram recolocados no contexto previamente pareado com choques nas patas ou no contexto diferente. A função dos receptores 5-HT2A da SCPd foi avaliada pela injeção local de -metil-serotonina ou cetanserina, agonista e antagonista seletivos de receptores do tipo 5-HT2A, respectivamente. De acordo com estudos anteriores, a -metil-serotonina aumentou os limiares aversivos (efeito antiaversivo) determinados pela estimulação da SCPd em animais ingênuos, enquanto que a injeção de cetanserina não produziu qualquer efeito significativo. No presente estudo, a cetanserina reduziu o limiar de congelamento (efeito proaversivo), enquanto que a -metil-serotonina continuou apresentando efeito antiaversivo em animais com experiência aversiva prévia (choques nas patas). Estes resultados sugerem que experiências aversivas anteriores podem produzir importantes alterações na função sináptica dos receptores 5-HT2A da SCPd, podendo refletir na reatividade da SCPd à sua estimulação aversiva. / It has been shown that contextual fear conditioning (CFC) may activate brainstem regions such as the dorsal periaqueductal gray (dPAG). Several studies have been carried out to disclose how 5-HT2 mechanisms modulate the aversive stimulation of the dPAG. One prominent function of 5-HT2 receptors is to regulate the aversive states induced by activation of the dPAG. However, in spite of the notion that past stressful experiences play a crucial role in certain types of anxiety only studies with stimulation of the dPAG of rats without previous aversive experience have been conducted so far. We investigated the mediation of 5-HT2 receptors located in the neural substrates of aversion of the dPAG in rats previously submitted to CFC. Defensive behaviors induced by activation of the dPAG were assessed by measuring the lowest intensity of electric current applied to this structure (threshold) able to produce freezing and escape responses during testing sessions of CFC, in which animals were placed in a context previously paired to footshocks. The 5-HT2 function of the dPAG in this condition was evaluated by local injections of -methyl-5-HT and ketanserin, selective agonist and antagonist of 5-HT2 receptors, respectively. In accordance with previous studies, -methyl-5-HT increased the aversive thresholds (antiaversive effects) determined by stimulation of the dPAG in naive rats and injection of ketanserin into the dPAG did not produce any significant effects. On the other hand, ketanserin decreased the freezing threshold (proaversive effect) determined by the dPAG electrical stimulation while -methyl-5-HT continued to show antiaversive effects in animals with prior experience with foot shocks. The present results suggest that a past stressful experience can produce changes in the synaptic function of 5-HT2 receptors within the dPAG with important impact on the defensive behaviors induced by electrical stimulation of this area.

Sabe-se que o medo condicionado contextual (MCC) pode ativar diversas áreas mesencefálicas, como a Substância Cinzenta Periaquedutal Dorsal (SCPd). Diversos estudos avaliaram como mecanismos serotoninérgicos modulam o comportamento defensivo induzido pela estimulação elétrica da SCPd. Uma função proeminente dos receptores 5-HT2A é regular estados aversivos induzidos pela ativação da SCPd e, apesar de saber que experiências aversivas prévias exercem um importante papel em determinados tipos de ansiedade, somente estudos com estimulação da SCPd de ratos sem experiência aversiva prévia foram conduzidos até o momento. O objetivo do presente estudo foi investigar o papel funcional dos receptores 5-HT2A localizados nos substratos neurais da aversão na SCPd de ratos previamente submetidos ao condicionamento contextual aversivo. Foram avaliadas as respostas de congelamento e fuga obtidas a partir do procedimento de estimulação elétrica da SCPd na sessão teste, realizada 24 horas após o condicionamento, quando os animais foram recolocados no contexto previamente pareado com choques nas patas ou no contexto diferente. A função dos receptores 5-HT2A da SCPd foi avaliada pela injeção local de -metil-serotonina ou cetanserina, agonista e antagonista seletivos de receptores do tipo 5-HT2A, respectivamente. De acordo com estudos anteriores, a -metil-serotonina aumentou os limiares aversivos (efeito antiaversivo) determinados pela estimulação da SCPd em animais ingênuos, enquanto que a injeção de cetanserina não produziu qualquer efeito significativo. No presente estudo, a cetanserina reduziu o limiar de congelamento (efeito proaversivo), enquanto que a -metil-serotonina continuou apresentando efeito antiaversivo em animais com experiência aversiva prévia (choques nas patas). Estes resultados sugerem que experiências aversivas anteriores podem produzir importantes alterações na função sináptica dos receptores 5-HT2A da SCPd, podendo refletir na reatividade da SCPd à sua estimulação aversiva. / It has been shown that contextual fear conditioning (CFC) may activate brainstem regions such as the dorsal periaqueductal gray (dPAG). Several studies have been carried out to disclose how 5-HT2 mechanisms modulate the aversive stimulation of the dPAG. One prominent function of 5-HT2 receptors is to regulate the aversive states induced by activation of the dPAG. However, in spite of the notion that past stressful experiences play a crucial role in certain types of anxiety only studies with stimulation of the dPAG of rats without previous aversive experience have been conducted so far. We investigated the mediation of 5-HT2 receptors located in the neural substrates of aversion of the dPAG in rats previously submitted to CFC. Defensive behaviors induced by activation of the dPAG were assessed by measuring the lowest intensity of electric current applied to this structure (threshold) able to produce freezing and escape responses during testing sessions of CFC, in which animals were placed in a context previously paired to footshocks. The 5-HT2 function of the dPAG in this condition was evaluated by local injections of -methyl-5-HT and ketanserin, selective agonist and antagonist of 5-HT2 receptors, respectively. In accordance with previous studies, -methyl-5-HT increased the aversive thresholds (antiaversive effects) determined by stimulation of the dPAG in naive rats and injection of ketanserin into the dPAG did not produce any significant effects. On the other hand, ketanserin decreased the freezing threshold (proaversive effect) determined by the dPAG electrical stimulation while -methyl-5-HT continued to show antiaversive effects in animals with prior experience with foot shocks. The present results suggest that a past stressful experience can produce changes in the synaptic function of 5-HT2 receptors within the dPAG with important impact on the defensive behaviors induced by electrical stimulation of this area.