Morphine is the most widely prescribed opiate for alleviation of persistent pain; however, it is becoming increasingly clear that morphine is less potent in women compared to men. Morphine primarily binds mu opioid receptors, which are densely localized in the midbrain periaqueductal gray (PAG). Anatomical and physiological studies conducted in the 1960s identified the PAG, and its projections to the rostral ventromedial medulla (RVM) and spinal cord dorsal horn, as an essential neural circuit mediating opioid-based analgesia. Remarkably, the majority of studies since then were conducted in males with the implicit assumption that this circuit was the same in females; this is not the case. It is now well established that morphine produces greater analgesia in males compared to females in a wide range of vertebrates, however, the mechanism(s) driving this sex difference is not clear. Our recent studies indicate that two factors appear to be contributing to the sexually dimorphic effects of morphine. First, there are sex differences in the anatomy and physiology of the descending inhibitory pathway on which morphine acts to produce analgesia. Specifically, the projections from the PAG to the RVM are sexually dimorphic and activated to a greater degree by both inflammatory pain and systemic morphine in males. In the absence of pain, the PAG-RVM circuit is activated to a greater degree in males compared to females, while this activation steadily declines during the development of tolerance in males only. We also have evidence of a sexually dimorphic expression of mu opioid receptor within the PAG that appears to contribute to sex differences in morphine potency. Microinjection of morphine directly into the PAG produces significantly greater analgesia in males, indicating that the PAG is sufficient for eliciting this sexually dimorphic behavior. Furthermore, mu opioid receptor-expressing PAG neurons are necessary for eliciting a sexually dimorphic response to morphine as lesioning mu opioid receptor-expressing neurons attenuates analgesia in males only. Together, these data indicate that the PAG-RVM pathway and mu opioid receptor expression in the PAG is sexually dimorphic and provides a primary mechanism for sex differences in morphine potency.

Thesis (Ph.D.)--University of Florida, 2004. / Typescript. Title from title page of source document. Document formatted into pages; contains 127 pages. Includes Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2006. / The entire dissertation/thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file (which also appears in the research.pdf); a non-technical general description, or public abstract, appears in the public.pdf file. Vita. "December 2006" Includes bibliographical references.

As reações incondicionadas de defesa observadas em mamíferos são organizadas pelo Sistema Encefálico de Aversão (SEA), composto, entre outras estruturas, pela substância cinzenta periaquedutal dorsal (SCPd) e o colículo inferior (CI). Tem sido proposto que o CI seja parte do circuito sensoriomotor para os estímulos auditivos de natureza aversiva e a SCPd como a principal via de saída (output) do SEA para a elaboração de comportamentos defensivos. Ambas as estruturas são reguladas tonicamente pelo neurotransmissor inibitório ácido gama-aminobutírico (GABA). Este trabalho aborda a mediação química GABA/Benzodiazepínica (BZD) do processamento da informação aversiva no CI e das respostas de medo elaboradas pela SCPd. Grupos independentes de animais submetidos ao implante de quimitrodos (eletrodos acoplados a cânulas-guia para injeção de drogas) foram usados para avaliar no CI e SCPd os efeitos de injeções locais de muscimol (agonista de receptores GABA-A), semicarbazida (inibidor da síntese da enzima precursora do GABA descarboxilase do ácido glutâmico) ou midazolam (agonista BZD). Foram registrados potenciais evocados auditivos (PEA) no CI como medida eletrofisiológica da ativação neuronial, além da determinação dos limiares de congelamento e fuga, com o procedimento de estimulação elétrica (EE), tanto do CI quanto da SCPd. A mesma abordagem farmacológica com injeções de drogas intra-CI foi empregada em animais submetidos ao teste do Labirinto em Cruz Elevado (LCE), um modelo animal tradicional de ansiedade. Adicionalmente, investigou-se a participação de ambas as estruturas na expressão do comportamento de desligar uma luz de intensidade aversiva em um novo teste de medo incondicionado (Light Switch Off Test; LSOT) recentemente proposto pelo nosso grupo. Encontramos uma clara segregação funcional entre a porção dorsal e ventral do CI, sendo a última envolvida nos comportamentos defensivos. Mecanismos GABAérgicos em ambas as estruturas influenciam a amplitude do PEA e o congelamento pós-fuga da EE, sugerindo uma relação funcional entre as duas estruturas. Já no LSOT, os resultados indicam o envolvimento de mecanismos GABAérgicos do vCI, mas não da SCPd, na modulação da resposta incondicionada à luz em ratos. Os resultados obtidos permitem ampliar o conhecimento atual sobre a neurobiologia dos estados de medo e ansiedade, em uma abordagem integrada dos mecanismos de processamento das informações sensoriais e da expressão de reações de defesa. / Unconditioned defense reactions observed in mammals are organized by the Brain Aversive System, comprising, among other structures, the dorsal periaqueductal gray matter (dPAG) and the inferior colliculus (IC). It has been proposed that the IC is part of the sensorimotor circuitry that processes aversive auditory information and the dPAG is considered the main neural substrate for the expression of defensive behaviors. Both structures are tonically regulated by the inhibitory neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA). This work addresses the chemical mediation of GABA/Benzodiazepine (BZD) on aversive information processing in the IC and the elaboration of fear responses by dPAG. Independent groups of animals implanted with chemitrodes (electrodes attached to a guide cannula for drug injection) have been used to evaluate the IC and dPAG regarding the effects of local injections of GABAergic agents (muscimol, semicarbazide, and midazolam). Auditory evoked potentials (AEP) have been recorded in the IC as a measure of electrophysiological neuronal activation, in addition to determining the thresholds of defensive freezing and flight behaviors, using the electrical stimulation (EE) procedure in both IC and dPAG. The same pharmacological regimen of drug injections intra-dPAG and intra-CI have been applied to animals subjected to the elevated plus maze (EPM), a well-known animal model of anxiety, and also to a novel animal test for innate fear (Light Switch Off Test, LSOT) that has been developed and proposed by our group. We found a clear functional segregation between the dorsal and ventral portions of the IC, the latter being the specific collicular substrate of defensive behaviors. GABAergic mechanisms in both structures influence the amplitude of the AEP and post-stimulation freezing of EE, suggesting a functional link between the two structures. In the LSOT, our data indicate the involvement of GABAergic mechanisms of the ICv, but not the dPAG, in the modulation of the unconditioned response to light in rats. These original findings presented here contribute to broaden the current knowledge on the neurobiology of fear and anxiety, in an integrative approach of the mechanisms underlying sensory processing and the expression of defensive behaviors.

The midbrain periaqueductal gray matter (PAG) is an important brain region for the coordination of μ-opioid-induced pharmacological actions. The present study was designed to determine whether newly isolated μ-opioid peptide endomorphins can activate G proteins through μ-opioid receptors in the PAG by monitoring the binding to membranes of the non-hydrolyzable analog of GTP, guanosine-5'-O-(3-[35S]thio)triphosphate ([35S]GTPγS). An autoradiographic [35S]GTPγS binding study showed that both endomorphin-1 and -2 produced similar anatomical distributions of activated G proteins in the mouse midbrain region. In the mouse PAG, endomorphin-1 and -2 at concentrations from 0.001 to 10 μM increased [35S]GTPγS binding in a concentration-dependent manner and reached a maximal stimulation of 74.6 ± 3.8 and 72.3 ± 4.0%, respectively, at 10 μM. In contrast, the synthetic selective μ-opioid receptor agonist [D-Ala2,NHPhe4,Gly-ol]enkephalin (DAMGO) had a much greater efficacy and produced a 112.6 ± 5.1% increase of the maximal stimulation. The receptor specificity of endomorphin-stimulated [35S]GTPγS binding was verified by coincubating membranes with endomorphins in the presence of specific μ-, δ- or κ-opioid receptor antagonists. Coincubation with selective μ-opioid receptor antagonists β- funaltrexamine or D-Phe-Cys-Tyr-D-Trp-Orn-Thr-Phe-Thr-NH2 (CTOP) blocked both endomorphin-1 and-2-stimulated [35S]GTPγS binding. In contrast, neither δ- nor κ-opioid receptor antagonist had any effect on the [35S]GTPγS binding stimulated by either endomorphin-1 or -2. These findings indicate that both endomorphin-1 and -2 increase [35S]GTPγS binding by selectively stimulating μ-opioid receptors with intrinsic activity less than that of DAMGO and suggest that these new endogenous ligands might be partial agonists for μ-opioid receptors in the mouse PAG.

O congelamento a um contexto previamente associado ao choque nas patas é atenuado pela lesão da matéria cinzenta periaquedutal ventrolateral (MCPvl). Por outro lado, a estimulação elétrica ou microinjeção de compostos que diminuem a neurotransmissão GABAérgica na matéria cinzenta dorsolateral (MCPdl) provocam congelamento e fuga. O presente estudo examinou a possibilidade deste congelamento provocado pela estimulação da MCPdl ser resultado da ativação indireta da MCPvl. Ratos com lesão da MCPvl ou falsooperados foram eletricamente estimulados na MCPdl para a aferição dos limiares de resposta para o congelamento e a fuga. Os mesmos animais foram também submetidos ao condicionamento aversivo ao contexto através de choque nas patas, visando a validação de nossas condições experimentais. Um segundo grupo de ratos lesados e falso-operados receberam microinjeções de semicarbazida, um bloqueador da síntese do GABA, na MCPdl. Os resultados mostram que a lesão da MCPvl atenua o congelamento condicionado ao contexto, mas é ineficaz em alterar os efeitos da estimulação elétrica ou química da MCPdl sobre o congelamento e a fuga. A MCPvl é o alvo preferencial do núcleo central da amígdala na MCP, enquanto que a MCPdl recebe aferências principalmente dos núcleos do hipotálamo relacionados à defesa. Estas evidências são coerentes com a participação da MCPvl nas respostas de defesa ao perigo potencial, e da MCPdl ao perigo imediato. / Freezing to a context previously associated to footshock is attenuated by ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG) lesion. Moreover, electrical stimulation or microinfusion of compounds that interfere with GABA neurotransmission in the dorsolateral periaqueductal gray (dlPAG) provoke freezing and escape. The present study examined the possibility of this freezing being the result of an indirect activation of vlPAG through dlPAG stimulation. Rats bearing vlPAG or sham lesions were electrically stimulated at dlPAG sites to have their freezing and escape threshold currents measured. The same animals were also submitted to a contextual fear-conditioning paradigm through footshock to validate our experimental setting. A second group of vlPAG- and sham-lesion rats received infusions of semicarbazide, a GABA-synthesis blocker, in the MCPdl. The results obtained show that vlPAG lesions do attenuate conditioned freezing, but are ineffective against dlPAG-stimulation freezing and escape. The vlPAG is the main PAG target to central nucleus of amygdala projections, while the dlPAG receives afferents primarily from hypothalamic nuclei related to defense. This evidence is coherent with vlPAG mediating responses to potential danger, while dlPAG would be more related to immediate danger.

Após o parto, a mãe deve optar por buscar por comida ou cuidar da prole sendo que a substância cinzenta periaquedutal (PAG) é uma área central importante de regulação, seleção e um sítio de ação de opióides. Ainda não se sabe a importância funcional de cada um dos receptores opióides na PAG sobre a expressão dos comportamentos materno e predatório. Foram utilizadas ratas com cânula unilateral implantada na PAG e divididas em dois experimentos: Experimento 1, onde as ratas receberam injeções de agonista m, ou o agonista k, ou sulfato de morfina, ou veículo; Experimento 2, onde receberam antagonista m seguido de sulfato de morfina, ou antagonista k seguido de sulfato de morfina, ou sulfato de morfina, ou veículo. Os animais foram avaliados no teste de comportamento materno versus predatório. Os resultados sugerem que o tônus opióide endógeno é importante para a expressão do comportamento predatório e há possibilidade da morfina agir em mais de um tipo de receptor opióide simultaneamente para promover a inibição do comportamento materno nesse contexto. / After giving birth, a mother must both provide subsistence and care for her young. Periaqueductal gray (PAG) is an important area for behavioral selection and a site of opioid action. The functional role of PAG opioid receptors in the expression of maternal and predatory behaviors is not clear. Rats with unilateral guide cannulae implanted in the PAG were separated into two experiments: Experiment 1 where the animals received injectios of m receptor agonist, or k receptor agonist, or morphine sulfate, or vehicle; Experiment 2, where they received m receptor antagonist followed by morphine sulfate, or k receptor antagonist before morphine sulfate, or morphine sulfate, or vehicle. The animals were then tested for maternal behavior vs. predatory hunting. The results suggest that endogenous opioid tone is important for the expression of predatory behavior. The results further raise the possibility that morphine acts at more than one type of opioid receptor simultaneously to inhibit maternal behavior in this context.

O congelamento a um contexto previamente associado ao choque nas patas é atenuado pela lesão da matéria cinzenta periaquedutal ventrolateral (MCPvl). Por outro lado, a estimulação elétrica ou microinjeção de compostos que diminuem a neurotransmissão GABAérgica na matéria cinzenta dorsolateral (MCPdl) provocam congelamento e fuga. O presente estudo examinou a possibilidade deste congelamento provocado pela estimulação da MCPdl ser resultado da ativação indireta da MCPvl. Ratos com lesão da MCPvl ou falsooperados foram eletricamente estimulados na MCPdl para a aferição dos limiares de resposta para o congelamento e a fuga. Os mesmos animais foram também submetidos ao condicionamento aversivo ao contexto através de choque nas patas, visando a validação de nossas condições experimentais. Um segundo grupo de ratos lesados e falso-operados receberam microinjeções de semicarbazida, um bloqueador da síntese do GABA, na MCPdl. Os resultados mostram que a lesão da MCPvl atenua o congelamento condicionado ao contexto, mas é ineficaz em alterar os efeitos da estimulação elétrica ou química da MCPdl sobre o congelamento e a fuga. A MCPvl é o alvo preferencial do núcleo central da amígdala na MCP, enquanto que a MCPdl recebe aferências principalmente dos núcleos do hipotálamo relacionados à defesa. Estas evidências são coerentes com a participação da MCPvl nas respostas de defesa ao perigo potencial, e da MCPdl ao perigo imediato. / Freezing to a context previously associated to footshock is attenuated by ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG) lesion. Moreover, electrical stimulation or microinfusion of compounds that interfere with GABA neurotransmission in the dorsolateral periaqueductal gray (dlPAG) provoke freezing and escape. The present study examined the possibility of this freezing being the result of an indirect activation of vlPAG through dlPAG stimulation. Rats bearing vlPAG or sham lesions were electrically stimulated at dlPAG sites to have their freezing and escape threshold currents measured. The same animals were also submitted to a contextual fear-conditioning paradigm through footshock to validate our experimental setting. A second group of vlPAG- and sham-lesion rats received infusions of semicarbazide, a GABA-synthesis blocker, in the MCPdl. The results obtained show that vlPAG lesions do attenuate conditioned freezing, but are ineffective against dlPAG-stimulation freezing and escape. The vlPAG is the main PAG target to central nucleus of amygdala projections, while the dlPAG receives afferents primarily from hypothalamic nuclei related to defense. This evidence is coherent with vlPAG mediating responses to potential danger, while dlPAG would be more related to immediate danger.

Estudos apontam a substância cinzenta periaquedutal (PAG) como um sítio crítico para a expressão de vários comportamentos motivados. A porção rostrolateral da PAG (PAGrl), tem um papel chave na regulação da motivação na caça predatória, e modularia mecanismos de recompensa associados ao comportamento alimentar e busca por droga, a partir de projeções para área tegmental ventral e núcleo acumbens; o que dependeria da ligação com neurônios orexinérgicos da área hipotalâmica lateral (LHA). A PAGrl, está mobilizada nos comportamentos de busca por droga assim como na caça predatória. As principais regiões que aferentam a PAGrl são áreas do córtex pré-frontal medial (mPFC) onde a PAGrl integraria tais aferencias e modularia a LHA. Os resultados corroboram com a hipótese, pois lesões no mPFC diminuíram a busca por droga e vimos que neurônios da PAGrl mobilizados no comportamento, que recebem aferências do mPFC, seriam os mesmos que se projetam para LHA e que a PAGrl teria papel crítico na promoção do comportamento de busca por droga no CPP para sulfato de morfina. / Studies show a periaqueductal gray (PAG) as a critical place for an expression of motivated behaviors. The rostrolateral portion of PAG (PAGrl), is a key role in the regulation of motivation in predatory hunting, and modulates, reward mechanisms associated with drug and food seeking, through projections to ventral tegmental area and the nucleus accumbens; what would depend on the connection with orexin neurons of the lateral hypothalamic area (LHA). The PAGrl, is mobilized in predatory hunting as drug seeking. The main region that sends projections to PAGrl is the medial prefrontal cortex (mPFC), where PAGrl integrate such afferent and modulates the LHA. Our results corroborate the hypothesis, because mPFC injuries, decreased drug seeking and we observed that PAGrl neurons mobilized in behavior, and also receive afferents from mPFC, would be the same as projecting to LHA, thus PAGrl had critical role in promotion of drug seeking behavior during the CPP for morphine sulfate.

O transtorno do pânico (TP) é um transtorno de ansiedade caracterizado por ataques de pânico recorrentes e inesperados, com um prognóstico crônico. Entre as drogas utilizadas no tratamento do TP, os benzodiazepínicos (BZs) de alta potência, como o alprazolam e o clonazepam, apresentam a vantagem de serem eficazes logo no início do tratamento. Assim como outras drogas BZs, tais como o diazepam e o flurazepam, estes compostos também são empregados como ansiolíticos no tratamento de pacientes com transtorno de ansiedade generalizada. O mecanismo da ação primária dessas drogas ocorre pela interação com os sítios de ligação BZs presentes nos receptores do ácido gama-aminobutírico do tipo A (GABAA), facilitando a neutotransmissão GABAérgica. Entretanto, ainda permanecem desconhecidos os substratos neurais envolvidos no efeito panicolítico causado pelos BZs. Dentre os substratos em potencial, a substância cinzenta periaquedutal dorsal (SCPD), uma estrutura mesencefálica criticamente relacionada à fisiopatogênica do TP, apresenta alta densidade de receptores GABAA e de sítios de ligação BZs. Neste trabalho avaliamos o envolvimento do complexo receptor GABAA/BZ presente na SCPD no efeito panicolítico promovido pela administração sistêmica de alprazolam em ratos Wistar. Para isso, empregamos o labirinto em T elevado (LTE), que além da resposta de fuga, que é associada ao pânico, também permite avaliar a resposta de esquiva inibitória, associada à ansiedade. Neste modelo, o alprazolam inibe a expressão da resposta de fuga, indicando efeito panicolítico e inibe a aquisição da esquiva inibitória, sugestivo de efeito ansiolítico. Além do LTE, também empregamos os modelos experimentais da hipóxia e o de Vogel, associados ao pânico e a ansiedade, respectivamente. Os resultados obtidos mostraram que o efeito panicolítico promovido pela administração sistêmica de alprazolam, observado na resposta de fuga do LTE, foi bloqueado pela administração intra-SCPD de flumazenil, antagonista dos sítios de ligação BZs, ou de bicuculina, antagonista dos receptores 10 GABAA. No teste da hipóxia, o efeito panicolítico causado pela administração sistêmica de alprazolam foi inibido, porém não significativamente bloqueado, pela administração intra-SCPD de bicuculina. Já o efeito ansiolítico, observado na resposta de esquiva do LTE e no teste do beber punido de Vogel, não foi bloqueado pela administração intra-SCPD de flumazenil ou de bicuculina. No conjunto, nossos resultados sugerem que o complexo receptor GABAA/BZ da SCPD está envolvido no efeito panicolítico, mas não ansiolítico, promovido pela administração sistêmica de alprazolam. / Panic Disorder (PD) is an anxiety disorder characterized by recurrent and unexpected panic attacks with a chronic prognosis. Among the drugs used to treat PD, highpotency benzodiazepines (BZs), such as alprazolam and clonazepam, have the advantage of causing significant effects early in the treatment. Like others BZs, such as diazepam and flurazepam, these compounds are also used as anxiolytics in the treatment of patients with generalized anxiety disorder. The primary mechanism of action of these drugs is the interaction with BZs binding sites present at gammaaminobutyric acid type A receptors (GABAA), facilitating GABAergic neurotransmission. However, it remains yet unknown the neural substrates involved in the panicolytic-like action caused by BZs. Among the potential substrates, the dorsal periaqueductal gray matter (DPAG), a mesencephalic structure critically associated with the physiopathology of PD, presents a high density of GABAA receptors and of BZs binding sites. In this work, we evaluated the participation of the GABAA/BZ receptor complex present in the DPAG in the panicolytic-like effect caused by systemic administration of alprazolam in Wistar rats. For this, we use the elevated T-maze (ETM), that besides the escape response which is associated with panic, also allows the measurement of inhibitory avoidance acquisition, which has been related to anxiety. In this model, alprazolam inhibits the expression of escape, indicating a panicolytic-like effect and inhibits the acquisition of inhibitory avoidance, suggestive of an anxiolytic effect. In addition to the ETM, animals were also tested in the hypoxia and Vogel\'s conflict tests, which have been associated with panic and anxiety, respectively. The results showed that the panicolytic-like effect caused by alprazolam in ETM\'s escape response was blocked by intra-DPAG injection of flumazenil, a BZs binding site antagonist, or bicuculline, a GABAA receptor antagonist. In the hypoxia test, the panicolytic-like effect caused by alprazolam was inhibited, but not significantly blocked, by intra-DPAG injection of bicuculline. The anxiolytic effect observed in the 12 ETM\'s avoidance task or in the Vogel\'s conflict test was not blocked by intra-DPAG injection of flumazenil or bicuculline. Taken together, our results suggest that the GABAA/BZ receptor complex located in the DPAG is involved in the panicolytic, but not anxiolytic, effect caused by systemic administration of alprazolam.