• Nenhum resultado encontrado

The role of the amygdala on trace fear conditioning

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "The role of the amygdala on trace fear conditioning"

Copied!
31
0
0

Texto

(1)

 

The Role of the Amygdala in Trace Fear Conditioning 

  Andreia Judite Marques da Cruz     

Resumo 

 

A  auto‐preservação  é  um  comportamento  conservado  evolutivamente  que  não  depende  de  aprendizagem.  No  entanto,  verifica‐se  que  a  maioria  dos  animais  têm  a  capacidade de aprender que alguns estímulos ambientais podem informar da presença  de perigo. Esta informação uma vez adquirida pode ser usada no futuro.  

O condicionamento Pavloviano de medo é um tipo de aprendizagem  associativa  onde um animal aprende a associar um estimulo neutro, geralmente uma luz ou um som  (estímulo  condicional  –  EC)  a  um  estímulo  aversívo,  geralmente  um  choque  ligeiro  (estímulo  incondicional  ‐  EI).  Após  a  associação,  o  EC  apresentado  sozinho  tem  a  capacidade  de  despoletar  respostas  de  medo  especificas.  No  estudo  dos  mecanismos  neurais  da    memória,  este  tipo  de  condicionamento  de  medo  é  uma  das  ferramentas  mais  usadas,  uma  vez  que  experiências  aversivas  são  aprendidas  rapidamente  e  relembradas  por  muito  tempo.  Este  paradigma  é  também  muito  usado  porque  os  circuitos neurais envolvidos estão já bastante bem descritos. Grande parte dos trabalhos  feitos  sobre  memória,  que  usam  condicionamento  Pavloviano  de  medo,  usam  um  tipo  particular  de  paradigma  em  que  estímulo  condicional  e  o  estímulo  incondicional  se  sobrepõe  no  tempo  e  co‐terminam.  Este  procedimento  tem  o  nome  de  delay  fear  conditioning. Décadas de literatura sobre este assunto  apontam para a amígdala, uma  estrutura neural multi‐nucleada situada no lobo temporal, como sendo crucial para este  tipo de aprendizagem. A atenção recaiu sobre a amígdala quando foi demonstrado que o  sindroma de Kluver‐Bucy, caracterizado pela ausência de medo em macacos que tinham  sido  sujeitos  a  ressecção  do  lobo  temporal,    podia  ser  explicada  por  lesões  restritas  a  esta estrutura.  

A amígdala é composta por vários núcleos que projectam para diversas zonas do  cérebro,  colocando‐a  numa  posição  única  para  receber  informação  sobre  os  estímulos 

(2)

que informam do perigo, e controlar a resposta apropriada. Alguns destes núcleos têm  sido  apontados  como  mais  importantes  para  o  condicionamento  do  medo.  O  núcleo  lateral  é  considerado  o  local  de  associação  entre  estímulos,  pelo  menos  no  que  diz  respeito  a  estímulos  condicionais  auditivos,  porque  recebe  informação  do  som  pelo  tálamo e pelo córtex auditivos, ao mesmo tempo que recebe informação sobre o choque  de diversas áreas sensoriais. Já foi demonstrado que células individuais do núcleo lateral  respondem a ambos os estímulos. O núcleo central é considerado o centro de controlo  das respostas de medo despoletadas pelo EC.   

Foi  demonstrado  que  é  necessária  plasticidade  na  amígdala  para  que  se  possa  efectuar a associação dos estímulos. Um possível mecanismo é a plasticidade sináptica  descrita como um fortalecer da ligação sináptica em dois neurónios que são activados ao  mesmo tempo. No entanto, verifica‐se que os animais também são capazes de aprender  quando os estímulos estão separados no tempo mas são correlacionados. Para estudar  este tipo de associação é usado um  paradigma semelhante ao anterior, mas onde o som  e o choque são separados por um intervalo de tempo. A este protocolo dá‐se o nome de  trace fear conditioning. Como a amígdala tem um papel tão importante quando o som e  choque se sobrepõe é geralmente aceite que tenha um papel semelhante quando há um  intervalo  de  tempo  entre  os  dois.  No  entanto,  não  é  do  nosso  conhecimento  que  este  facto  tenha  alguma  vez  sido  devidamente  demonstrado.  Por  outro  lado,  independentemente  da  contribuição  da  amígdala,  é  necessário  que  outras  estruturas  cerebrais  sejam  recrutadas  para  manter  a  actividade  enquanto  o  som  termina  e  o  choque  não  começa,  e  depois  passar  essa  informação  para  a  amígdala  para  que  seja  integrada.  A região mediana do córtex pré‐frontal e o hipocampo são duas estruturas  que têm sido apontadas como sendo as possíveis responsáveis por manter a memória do  som durante o tempo que separa os estímulos. Mais, parece que o seu envolvimento está  dependente da duração do intervalo de tempo entre som e choque. Este laboratório está  interessado em estudar este circuito neural e averiguar como a amígdala, hipocampo e  córtex  pré‐frontal  estão  envolvidos  em  trace  fear  conditioning.  Este  trabalho  tem  por  objectivo  estudar  o  envolvimento  da  amígdala  neste  tipo  de  condicionamento,  usando  dois  protocolos  que  apenas  diferem  no  tempo  que  separa  o  som  do  choque,  num  protocolo o intervalo é de 5 segundos e no outro 40 segundos. 

A espécie Rattus norvegicus foi usada como modelo para comparar o a expressão  de  medo  em  grupos  com  a  amígdala  intacta  com  outros  onde  a  mesma  foi 

(3)

temporariamente  inactivada,  imediatamente  antes  da  sessão  de  condicionamento.  Os  animais passaram por uma cirurgia onde foram implantadas cronicamente canulas por  cima da amígdala. Estas permitem a infusão de drogas, ou de soro fisiológico no caso dos  animais  controlo,  apenas  na  estrutura  alvo.  A  droga  usada  para  inactivar  reversivelmente  a  amígdala  foi  o  muscimol.  Esta  droga  impede  que  os  neurónios  disparem potenciais de acção, silenciando a estrutura. A infusão da droga foi feita antes  da sessão de treino para permitir estudar o envolvimento da amígdala apenas na fase de  aprendizagem.  Um  dia  depois  da  sessão  de  condicionamento,  em  que  cada  animal  é  exposto  a  apenas  um  emparelhamento  de  som  e  choque,  é  feito  um  teste  ao  medo  ao  som  apresentado  sozinho.  Este  teste  é  feito  numa  caixa  diferente  da  do  condicionamento,  para  garantir  que  se  está  a  testar  a  reacção  apenas  ao  som  sem  confundir com qualquer efeito gerado pelo contexto de treino que os animais também  aprendem  a  recear.  Para  averiguar  se  o  medo  ao  contexto  também  depende  de  actividade  neural  na  amígdala,  quarenta  e  oito  horas  depois  da  sessão  de  treino  os  animais  foram  colocados  na  caixa  em  que  receberam  o  condicionamento,  tendo  sido  medida  a  resposta  comportamental.  A  resposta  comportamental  usada  para  medir  a  expressão  do  medo  foi  o  freezing.  Um  episódio  de  freezing  é  caracterizado  pela  total  ausência de movimento por parte do animal, à excepção do movimento respiratório, e é  uma  resposta  inata  que  os  ratos  apresentam  quando  estão  numa  situação  de  perigo  e  não têm possibilidade de fuga.  

Os dados obtidos não permitam tratamento estatístico, mas sugerem uma forte  dependência de actividade neural na amígdala para condicionamento de medo quando  os dois estímulos estão temporalmente separados. Mais, este envolvimento da amígdala  parece  ser  independente  da  duração  do    intervalo  tempo  entre  som  e  choque.  Verificámos  que,  em  ambos  os  protocolos,  os  animais  com  a  amígdala  inactivada  apresentavam  um  nível  de  resposta  de  medo  ao  som  bastante  mais  baixo  do  que  os  animais  controlo.  Verificámos  ainda  que  nos  animais  controlo  o  nível  de  resposta  de  medo  ao  som  era  mais  elevado  do  que  a  medida  de  ansiedade  geral  (aferida  pelo  comportamento de freezing do animal antes do primeiro som de teste ser apresentado).  Isto sugere que de facto é o som que despoleta a resposta condicionada, e que tal não se  deve  a  um  estado  geral  de  ansiedade  do  animal.  Quanto  ao  medo  ao  contexto  os  resultados  são  ambíguos,  não  permitindo  qualquer  tipo  de  conclusão  em  relação  ao  envolvimento da amígdala.  No protocolo com um intervalo de tempo curto entre som e 

(4)

choque  os  animais  controlo  apresentam  medo  ao  contexto,  enquanto  os  animais  que  tiveram  a  amígdala  inactivada  durante  o  treino  não  demonstram  qualquer  reacção  adversa ao contexto. No entanto, no protocolo com o intervalo de tempo de 40 segundos  não só nenhum dos grupos não demonstra elevada reacção de medo ao contexto, como  as medidas de cada grupo são bastante aproximadas. 

Este trabalho foi uma contribuição importante para se demonstrar que de facto a  amígdala é uma estrutura vital em mais do que um tipo de aprendizagem baseada em  estímulos  aversivos.  Para  mais,  é  uma  das  peças  essenciais  para  se  perceber  como  funciona o circuito que determina a aprendizagem da associação de estímulos separados  no tempo. 

 

Palavras  Chave:  amígdala,  condicionamento  Pavloviano  do  medo,  inactivação,  aprendizagem                                         

(5)

Abstract 

 

Pavlovian  fear  conditioning  is  one  of  the  most  used  behavioral  paradigms  to  study the neural mechanisms of learning and memory, because fear learning is fast and  long lasting. This is a type of associative learning in which a neutral stimulus, such as a  tone  (conditioned  stimulus  –  CS)  becomes  associated  with  an  aversive  one,  such  as  a  foot  shock  (unconditioned  stimulus  ‐US).  After  the  association,  the  CS  comes  to  elicit  species  specific  fear  responses  when  presented  alone.  Much  of  the  work  done  in  this  area  uses  a  protocol  in  which  the  tone  and  the  shock  overlap  in  time,  co‐terminating.  The  amygdala,  a  neural  structure  in  the  temporal  lobe,  is  often  considered  crucial  for  this  type  of  learning.  Because  it  has  never  been  properly  demonstrated  that  this  structure  plays  a  similar  role  when  both  stimuli  are  separated  in  time,  a  trace  fear  conditioning  protocol,  where  the  presentation  of  the  tone  precedes  shock  delivery  by  several  seconds,  is  going  to  be  used  to  try  to  answer  this  question.  The  rat  Rattus  norvegicus is going to be used as a model to compare levels of freezing to the tone CS,  between  animals  with  intact  amygdala  and  animals  with  reversible  muscimol  inactivation  of  the  structure  before  training.  Although  the  data  was  not  sufficient  to  allow for statistical analysis, our data strongly suggests that activity in the amygdala is  indeed necessary for fear conditioning with both short and long trace intervals.    Key words: amygdala, trace fear conditioning, inactivation, learning 

 

Introduction 

Fear learning 

 

To  survive  in  nature  an  animal  has  to  be  able  to  perceive  threats  from  environmental cues. Responses to natural predators are usually innate, but the animals  are  also  capable  to  learn  from  other  cues  that  are  predictive  of  threat,  and  use  that  information in the future (Kim & Jung, 2006). Fear is a very useful paradigm to address  all sorts of questions. Fendt and Fanselow, (1999) summarized that fear driven behavior  is  a  great  model  to  study  how  emotions  can  influence  behavioral  outputs.  Also,  understanding  the  neuroanatomy  and  the  neurochemical  basis  of  fear  and  anxiety  is 

(6)

central for understanding how to address a cure for such type of disorders and phobias.  The  authors  also  state  that  because  mechanisms  of  learning  and  memory  are  an  important  field  of  neuroscience  research,  and  fearful  experiences  are  rapidly  learned  and long remembered, fear conditioning offers an excellent paradigm for studying such  a mechanism in a laboratory environment. 

In  the  laboratory,  this  learning  ability  is  studied  using  a  particular  form  of  associative  learning,  is  called  fear  conditioning  (Pavlov,  1927).  In  this  paradigm  an  otherwise  neutral  conditioned  stimulus  (CS),  like  a  tone  or  a  light,  is  paired  with  an  aversive  unconditioned  stimulus  (US),  usually  a  foot‐shock.  After  the  association  the  animals  learn  to  fear  the  CS  alone,  exhibiting  species‐specific  fear  responses  that  characteristically  would  be  elicited  by  the  threatening  stimulus.  These  are  called  conditioned  or  learned  responses  because  they  were  not  elicited  by  the  CS  before  its  association  with  the  US,  and  may  include  behavioral,  autonomic  and  endocrine  responses such as freezing or escaping, changes in blood pressure and heart rate, or the  release  of  specific  stress  hormones  (LeDoux,  2000).  Pavlovian  fear  conditioning  is  therefore  a  type  of  learning  that  involves  the  knowledge  that  some  environmental  stimuli predict aversive events, and this form of learning, in an evolutionary perspective,  promotes  survival  in  the  face  of  present  and  future  threats  (Maren,  2001).  It  is  important to keep in mind that these fear responses are neither new nor learned, and  what conditioning is doing is to place innate answers under the control of new stimuli  (Rogan & LeDoux, 1996).    

Neural circuits on delay fear conditioning 

 

The  neural  circuits  of  fear  conditioning  are  well  described  (Fendt  &  Fanselow,  1999;  LeDoux,  2000).  Most  of  the  work  that  has  been  done  to  unravel  this  neural  circuitry is based in a paradigm called delay fear conditioning. In this type of protocol the  CS and the US overlap in time usually co‐terminating. But what if the stimuli have a time  gap between them, how can an animal learn the association? To address this question  there  is  another  paradigm  of  pavlovian  fear  conditioning  that  is  called  trace  fear  conditioning because there is a trace period between the end of the CS and the onset of  the US. In this case, other structures of the brain must be recruited to sustain the activity 

(7)

during  the  trace  period.  Our  laboratory  is  interested  in  characterize  the  neural  circuit  necessary for trace fear conditioning.   

The anatomy of the fear circuit  

The amygdala   

A  large  body  of  literature  points  to  the  amygdala,  an  almond  shaped  structure  located deep in the temporal lobe, to be critical for fear learning (for a review see Fendt  & Fanselow, 1999; LeDoux, 2000; Maren, 2001).  

The  earliest  evidence  of  the  importance  of  this  structure  came  in  1888,  when  Brown and Schaffer reported that large lesions on the temporal lobe of monkeys were  responsible  for  big  changes  in  behavior.  Later  on  Kluver  and  Bucy  (1937)  further  described  this  changes:  loss  of  fear,  meaning  that  animals  that  were  shy  and  fearful  would  immediately  approach  and  contact  their  caregivers  after  resection  of  the  temporal lobe, also they would eat novel food that they would otherwise avoid. It is in  1956  that  the  amygdala  is  directly  involved  in  the  study  of  fear,  on  the  work  by  Weiskrantz showing that the loss of fear on the Kluver‐Bucy syndrome is explained by  amygdala damage.  

A wealth of studies reveals that the lateral nucleus of the amygdala is the site for  the  association  between  CS  and  US  (Romanski  et  al,  1993;  Fanselow  &  Kim,  1994;  Fanselow & LeDoux, 1999; Maren, 2005; Kim & Jung, 2006; but see Cahill et al, 1999).  

The  amygdala  is  composed  of  several  nuclei  some  of  them  subdivided  in  sub‐ nuclei,  that  distinguish  from  each  other  by  cytoarchitectonics,  histochemistry,  connections  and  projections  they  make  (Pitkänen,  2000;  Sah  et  al,  2003).  The  most  relevant  for  fear  conditioning  are  the  lateral  (LA)  and  basal  (B)  nuclei,  sometimes  referred to as baso‐lateral amygdala (BLA), and the central nucleus (CE) (LeDoux, 2003).  In  an  anatomic  perspective  the  amygdala  receives  input  from  the  thalamus,  hippocampus and cerebral cortex (Pitkänen, 2000; Sah et al, 2003). The amygdala, not  only receives input from most sensory areas, but also sends output projections spread  throughout  the  brain,  placing  it  in  a  unique  position  to  learn  about  cues  that  are  predictive of threat and control the animal’s response in the face of it. Extensive work  has been done in order to understand the connections between the amygdaloid nuclei 

(8)

(Pitkänen, 2000). The author describes how the LA projects to the CE, a nucleus that is  considered  to  be  the  mediator  of  the  expression  of  fear  responses  elicited  by  the  CS  (LeDoux,  2000).  Lesions  of  this  particular  nucleus  have  been  shown  to  block  freezing  responses  to  conditioned  fear  (Amorapanth  et  al,  2000;  Killcross  et  al,  1997).  Furthermore,  electric  stimulation  of  CE  neurons  elicits  behavioral  responses  very  similar to those evoked by stimuli paired with shock, and lesions on structures efferent  to the CE produce selective deficits in fear responses (Maren, 2001). In the last decades  a  large  number  of  studies  using  a  variety  of  different  approaches  suggest  that  the  amygdala is crucial for the expression of learned fear responses: total or partial lesions  of the amygdala, as well as reversible inactivation, impairs fear learning and expression  of conditional fear responses, even a year and a half after original training (Fanselow &  Gale,  2003, but  see  Kim  &  Jung,  2006  for  a  review  on  other  lesion  and  inactivation  studies). Electric or chemical stimulation of specific nuclei or afferent pathways to the  amygdala were shown to elicit conditioned fear‐like responses. For example stimulation  of  the  amygdala  on  rats  interrupts  appetitive  behaviors  and  induces  freezing  (Weingarten  &  White,  1978).  Also,  stimulation  of  the  amygdala  after  training  causes  impairment on the learned association (Gold et al., 1975; McDonough & Kesner, 1971 in  Kim & Jung, 2006). If this is in fact such a crucial structure for fear conditioning, then the  pathways that transmit information about the CS and the US must converge it.    Inputs to the amygdala    Romanski and LeDoux (1992) showed that auditory inputs arrive in the LA from  two independent routes: one direct input coming from the auditory thalamus, and one  indirect  arriving  from  the  auditory  cortex.  Furthermore,  they  have  shown  that  each  pathway is sufficient for auditory CS to reach the amygdala, as lesions to only one of the  pathways were not sufficient to disrupt fear learning to the tone. If these pathways are  redundant  or  if  they  serve  different  purposes  is  still  a  matter  of  much  discussion:  the  model  generally  accepted  is  that  the  thalamic  pathway  information  reaches  the  amygdala  via  projection  from  the  medial  division  of  medial  geniculate  nucleus  (MGm)  (Kimura et al, 2003), in a faster but less accurate fashion, producing a more rapid but  generalized  response  to  threats.  The  cortical  pathway  however  indirect  is  much  more  precise, as reflected by the tonotopic finely tuned organization of its main input region, 

(9)

the ventral division of medial geniculate nucleus (MGv)(Kimura et al, 2003), would give  a slower but more accurate information to the amygdala. The result would be that the  thalamic  input  results  in  a  fast  response  to  any  given  acoustic  stimuli  resulting  in  generalized fear, whereas the cortical input is engaged in auditory discrimination, giving  more  detailed  information  about  which  are  the  real  threatening  stimuli (Rogan  &  LeDoux, 1996). If this is in fact the case, then discriminative fear learning to a given tone  should  be  dependent  on  the  cortical  route  alone.  However  work  from  this  laboratory  (Antunes  &  Moita,  2009)  studying  the  contributions  of  the  MGm  and  the  MGv  on  generalized  versus  discriminative  learning,  reached  the  conclusion  that  indeed  both  pathways  alone  are  sufficient  for  the  acquisition  of  generalized  fear  (this  apparent  redundancy  can  be  easily  explained  by  the  biological  relevance  of  self  preservation),  whereas in the case of discriminative learning they found that the direct pathway is also  necessary,  stating  that  some  kind  of  cooperation  between  both  circuits  is  needed  for  discriminative auditory fear learning.  

Less  is  known  about  the  pathways  by  which  the  US  reaches  the  amygdala.  However, somatosensory areas in the thalamus and cerebral cortex that project to the  amygdala,  receive  stimuli,  including  nociceptive  ones  (LeDoux,  2000),  and  also  it  has  been  shown  that  cells  in  the  LA  respond  to  both  acoustic  and  nociceptive  stimulation  either  in  anesthetized  rats  (Romanski  et  al,  1993)  as  in  freely  behaving  ones  (Blair  &  LeDoux, 2000). This evidence places the LA as a good candidate for CS‐US convergence  to occur.     Outputs of the amygdala      The generally accepted model of fear conditioning states that LA gets input from  auditory  thalamic  and  cortical  afferents,  receiving  also  nociceptive  stimuli  from  somatosensory thalamic and cortical areas. The LA then sends inputs to the CE, the main  output  nucleus  of  the  amygdala,  which  would  act  as  a  mediator  of  fear  responses  (LeDoux,  2000).  However,  it  has  been  recently  suggested  that  the  CE  may  be  an  important locus for fear conditioning acquisition and not only for its expression, as this  nucleus  also  receives  both  direct  auditory  thalamic  input  and  nociceptive  brainstem  inputs,  and  because  has  been  demonstrated  that  lesion  or  inactivation  of  this  nucleus  before training affects learning, and this would not be expected if the CE only played a 

(10)

role  in  the  expression  of  fear. Furthermore,  LA  neurons  do  not  project  directly  to  CE  output neurons that are located in the medial sector of the CE nucleus (CeM) (reviewed  by Paré et al, 2004). In this review the authors propose discuss the literature available  and  propose  a  revised  model  in  which  activated  neurons  of  the  LA  connect  with  CeM  neurons via intercalated cells, pointing out also that because CeM could be a place for  convergence  of  thalamic  CS  and  US  input,  it  can  act  as  a  locus  of  association  on  some  aspects  of  fear  conditioning.  Although  the  circuitry  that  controls  the  output  of  the  amygdale  remains  unclear,  it  is  widely  accepted  that  amygdala,  in  particular  LA,  is  a  crucial site for fear conditioning.   

Synaptic plasticity in amygdala and fear learning 

Hebbian plasticiy 

  The basis of fear conditioning is associative learning. It is generally believed that  the  neural  mechanism  underlying  associative  learning  is  synaptic  plasticity.  In  1949  Hebb proposed that if two interconnected neurons fire at the same time the synapses  between the become and stay stronger, known as the  “fire together, wire together” rule.  This  is  called  associative  or  Hebbian  synaptic  plasticity,  and  is  a  possible  neural  mechanism underlying the formation and long‐term memory storage of the association  between the tone and shock in classical conditioning. Thus, for hebbian plasticity to take  place  individual  neurons  have  to  detect  and  record  CS  and  US  simultaneous  activity  (Blair  et  al,  2001).  Long‐term  potentiation  (LTP),  a  form  of  long  lasting  synaptic  plasticity,  is  considered  as  a  possible  cellular  mechanism  underlying  learning  and  memory that was discovered by Bliss and Lomo (1973) in the hippocampus, as a form of  strengthened  synaptic  transmission  resulting  from  high‐frequency  stimulation  of  the  structure’s afferents. LTP has been shown to occur in the amygdala, both in vitro and in  vivo, either by direct stimulation of amygdalar nucleus or by stimulating their afferent  pathways (reviewed by Blair et al, 2001; Chapman & Chattarji, 2000; Kim & Jung, 2006).  LTP fits the Hebbian model by two key properties: it is associative in certain synapses,  where  co‐activation  of  weak  and  strong  inputs  onto  the  same  cell  results  in  the  strengthening of the weak inputs, and is synapse specific, meaning that only activated  synapses are strengthened (Blair et al, 2001).  

(11)

Evidence from other studies  

 

Electrophysiological recording studies also support the amygdala as the site for  fear conditioning. Some authors have shown that fear conditioning increases auditory‐ evoked responses in lateral amygdala neurons (Quirk et al, 1995; Rogan et al, 1997) that  are  not  due  to  an  increase  in  amygdala  excitability  resulting  from  the  US.  This  was  shown  because  auditory  CS  responsiveness  was  only  observed  when  CS  and  US  were  previously paired. But, because there was no evidence from the previous work that the  responses were not generalized to any auditory stimuli after conditioning, Collins and  Paré  (2000) designed  a  task  using  cats,  showing  that  responses  in  the  amygdala  are  really specific to the conditioned tone, and not generalized to any given tone. In a recent  study,  Herry  and  colleagues  (2008)  recorded  neurons  in  the  amygdala  of  mice  that  underwent a discriminative protocol of auditory fear conditioning. Those mice learned  to  fear  a  CS+  previously  paired  with  shock,  showing  increasing  levels  of  freezing  to  it 

when  compared  to  an  unpaired  CS‐  tone.  Also  they  found  specific  neurons  firing  only 

when the CS+ was present.  

Several  pharmacological  manipulations  on  the  amygdala  have  revealed  numerous  details  of  molecular  dependent  events  that  mediate  the  acquisition  of  fear  associations and the long‐term maintenance of those memories (reviewed by Rodrigues  et al, 2004). The type of drug and the time point in which it is applied on the protocol,  allows the study of different molecular mechanisms that are important in every different  step of the learning process. For example, it was shown that inhibiting mRNA syntheses  impairs fear memory consolidation, without disrupting immediate short‐term memory  acquisition of the fearful association (Bailey et al, 1999).  

Other  work  provides  evidence  that  synaptic  plasticity  in  the  amygdala  is  necessary  for  fear  conditioning  to  occur  (for  a  short  review  see  Fanselow  &  LeDoux,  1999).  Blair  and  others  (2005)  showed  that  plasticity  in  the  amygdala  is  indeed  necessary for fear learning, and that plasticity is the mechanism by which the CS gains  the  representation  of  the  emotional  properties  of  the  aversive  US.  They  came  to  the  conclusion  that  neural  activity  (that  was  blocked  in  this  experiment  by  muscimol  injections  to  the  lateral  nucleus  of  the  amygala)  and  synaptic  plasticity  (blocked  by  injection of ifenprodil, an NR2B receptor antagonist) were necessary for the acquisition  of  conditioned  freezing  to  a  tone  CS.  Moreover,  they  found  that  US  evoked  reflex 

(12)

responses were not dependent on plasticity, but were attenuated when muscimol was  injected to the amygdala demonstrating that neural activity is necessary in the amygdala  for the emotional responses to the aversive value of the US. 

Making use of modern genetic and molecular tools Rumpel and colleagues (2005)  were able to show not only that plasticity in the amygdala is necessary for fear learning  but  also  how  synaptic  strengthening  during  associative  LTP  is  dependent  on  the  learning  driven  increase  of  a  specific  glutamate  receptors  (GluR1  receptor)  on  the  postsynaptic  cell.  Different  constructs  with  GluR1  receptor  acted  as  plasticity  tags  or  plasticity blockers, permitting the conclusion that indeed conditioning increases GluR1  receptor incorporation on active synapses, and that blocking this receptor disrupts both  short  and  long  term  memory  of  the  conditioning  experience  as  measured  by  freezing  response to a tone CS. Moreover they were able to establish that disabling plasticity in as  little as 20% of lateral amygdala neurons is sufficient to diminish fear learning. 

Jin‐Hee  Han  and  others  (2007)  explore  further  the  mechanism  of  synaptic  plasticity  dependence  of  memory  formation  on  the  LA,  as  they  show  that  neurons  recruited  for  that  memory  formation  depend  on  the  state  of  activity  of  CREB  (transcription factor adenosine 3’, 5’ monophosphate response element binding protein)  in the cell. Also they demonstrated that injection of a CREB vector in transgenic CREB  deficient  mice  that  show  impairment  in  memory  formation  is  sufficient  to  rescue  fear  memory formation assessed by freezing levels to a tone CS. 

A  final  piece  of  evidence  that  plasticity  in  the  lateral  amygdala  is  needed  to  encode the memory trace after fear conditioning: work from the same laboratory (Jin‐ Hee  Han  et  al,  2009) using  a  clever  designed  paradigm  combining  genetics,  molecular  tools  and  pharmacology  showed  how  a  selective  ablation  of  neurons  that  overexpress  CREB, (that they have found in the previous work to be present in neurons activated by  auditory fear memory), was able to erase a fear memory.  

Bridging the gap on trace fear conditioning  

  If Hebbian plasticity operates in a time frame of milliseconds (Blair et al, 2001)  meaning that an overlap between stimuli is needed for the association to take place, it is  puzzling how animals can learn that a given environmental cue predicts a thereat. There  must be other brain structures that sustain activity during the trace period.  

(13)

Working memory 

 

The  term  working  memory  is  used  to  define  a  limited  system  that  stores  short‐ term memory of an information or event, allowing its processing and integration to be  performed latter by a different system (Baddeley, 2003). This means that somewhere in  the  brain  there  is  a  structure  dedicated  to  keep  information  for  sometime  and  then  decide  if  its  integration  is  needed.    The  prefrontal  cortex  has  been  showed  to  be  necessary  to  associate  stimuli  separated  in  time  (Fuster  et  al,  2000).  Studies  demonstrated that lesion to this structure impair trace fear conditioning without having  any effect on conditioning of overlapping stimuli (Morgan & LeDoux, 1995; Kronforst‐ Collins  &  Disterhoft,  1998;  McLaughlin  et  al.  2002).  It  also  has  been  pointed  out  as  a  place for memory storage in trace fear conditioning (Runyan et al, 2004). The hypothesis  is that this structure might be sustaining the activity from the tone and the relaying that  information to the amygdala when the US happens.    

Episodic Memory 

 

Episodic  memory  is  a  representation  of  a  temporally  discrete  event,  characterized by the association of a learning episode to a unique context (Buckner &  Barch, 1999). In the literature it is widely undisputed that the hippocampus is a major  player  on  context  fear  conditioning  (Philips  &  LeDoux,  1992).  More,  McEchron  et  al,  (1998) showed that lesion on this structure impairs context fear learning and disrupts  conditioning  to  an  auditory  stimulus  when  a  trace  interval  is  present.  Misane  and  co‐ workers  (2005)  showed  that  plasticity  in  the  hippocampus  is  necessary  for  auditory  trace  fear  conditioning.  They  were  even  able  to  determine  the  time  span  of  the  trace  interval in which this structure is necessary. Other work suggests that the hippocampus  is also necessary for the consolidation or the expression of conditioned fear with a trace  interval,  without  having  an  effect  on  delay  fear  conditioning  (Quinn  et  al,  2002). Also,  synaptic plasticity in this structure is necessary to acquire fear to a context CS (Huerta et  al, 2000), and electrophysiological recordings revealed that neurons in the hippocampus  sustain  activity  during  the  trace  interval  in  a  conditioning  protocol  (McEchron  et  al,  2003).  In  context  fear  conditioning  a  series  of  visuospatial,  olfactory  and  tactile  cues 

(14)

form the contextual CS get associated with the US, and this learning relies on both the  amygdala  and  the  hippocampus  (Fanselow  &  Kim,  1994;  LeDoux,  2000;  Philips  &  LeDoux,  1992;  Maren  &  Hobin,  2007),  thus,  during  the  trace  period,  the  hippocampus  might  be  needed  to  sustain  a  general  representation  of  the  conditioning  episode,  in  which the tone participates, making the bridge for the association with the US.  

 

Objective 

 

This  laboratory  is  interested  in  understanding  the  role  of  the  amygdala,  the  hippocampus and of the prefrontal cortex on the acquisition of fear conditioning when  the two stimuli are separated in time, making use of a reversible inactivation protocol. 

As  shown  above,  evidence  supporting  the  amygdala  as  a  crucial  structure  involved  in  delay  fear  conditioning  is  plenty.  For  this  reason  it  has  been  generally  accepted that it should have a similar role in associative learning of fear when stimuli  are  separated  in  time  as  in  trace  fear  conditioning.  However  this  has  never  been  properly tested. Some lesion studies performed by this laboratory support the amygdala  as an important place for fear learning in trace fear conditioning (pers. com.). Also data  from this laboratory shows that the involvement of the different structures depends on  the  temporal  gap  (Guimarais  et  al.  2009).  We  want  to  investigate  if  the  amygdala  is  involved, and if so, if this involvement is dependent on the temporal gap. Because lesion  studies do not allow for a rigorous pinpointing of the role of the structure (if the animal  is tested with a lesion we cannot say if the amygdala was important in the acquisition or  expression  of  conditioned  fear),  we  are  proposing  to  investigate  the  role  of  this  structure  in  acquisition  of  trace  fear  conditioning  using  temporary  muscimol  inactivation.  Muscimol  is  a  GABAA  agonist  that  binds  to  the  neurotransmitter  GABA 

receptor, causing inhibition of action potentials on the site where is injected, silencing  the structure. Because muscimol washes off quickly, freezing to the CSs can be accessed  with intact structures. This means that if the infusion is pre‐training we can access the  role  of  the  amygdala  in  the  acquisition  of  conditioned  fear,  whereas  if  the  infusion  is  done prior to testing we can access its role in the expression of learned fear.  

To  test  our  hypotheses  we  accessed  the  effect  of  muscimol  inactivation  in  the  amygdala, on the acquisition of conditioned fear to a tone in two similar protocols that  only  differ  on  the  trace  period:  a  short  interval  (5  seconds)  and  a  longer  interval  (40 

(15)

seconds).  Since  we  believe  that  the  recruitment  of  the  mPFC  and  the  hippocampus  depend  on  the  trace  interval,  the  time  for  the  trace  intervals  was  chosen  following  an  important  work  with  mice  (Misane  et  al,  2005),  in  which  the  authors  found  the  time  span in which the hippocampus is necessary for trace fear conditioning. They found that  below  15  seconds  hippocampus  inactivation  had  no  effect  on  the  acquisition  of  conditioned fear, and that after 45 seconds there was no association of the stimuli. Our  hypotheses  is  that  the  amygdala  in  necessary  no  matter  the  time  gap  between  stimuli  but  we  need  to  test  its  involvement  in  both  trace  intervals  to  be  able  to  integrate  the  results with the work done with the other structures.  

 

Methods  

 

Subjects: 

We  used  experimentally  naive,  outbreed,  male  albino  Sprague  Dawley  rats,  weighing  between  300  and  500g,  obtained  from  a  commercial  supplier  (Harlan,  U.K).   After arrival the animals were single housed in clear Plexiglas cages with filtered tops,  stored in a self‐ventilated rack (Techniplast) maintained in a 12 hr light/dark cycle, in  which the lights are on at 8:00 A.M., and with ad libitum access to food and water. All  surgical and behavioral procedures were performed during the light phase of the cycle.  

The Instituto Gulbenkian de Ciência follows the European Guidelines. The use of  vertebrate  animals  in  research  in  Portugal  complies  with  the  European  Directive  86/609/EEC of the European Council. 

 

Apparatus:  

Freezing  levels  to  the  tone  have  to  be  accessed  in  a  way  that  no  confounding  effect might come from the context. For this we had two different environments, boxes A  and  B.  Animals  were  also  assigned  to  the  boxes  in  a  counterbalanced  way,  so  some  animals  were  trained  in  A  and  tone  tested  in  B,  and  vice‐versa.  The  boxes  are  placed  inside  a  sound‐attenuating  cubicle  (model  H10‐24A,  Coulbourn  Instruments).  During  training  and  context  test  sessions,  the  boxes  have  a  shock  floor  of  metal  bars  (model  H10‐11R‐TC‐SF,  Coulbourn  Instruments).  During  tone  test  sessions  the  floors  are  covered  with  a  painted  acrylic  plate.  Although  the  boxes  are  located  in  the  same 

(16)

procedure  room  they  consist  of  two  separate  environments:  Box  A  is  a  conditioning  chamber (model H10‐11R‐TC, Coulbourn Instruments), with the ceiling and all four‐side  walls made of clear Plexiglas. The sound attenuating box in which is placed in has the  walls,  floor  and  ceiling  painted  in  white.  The  small  house  light  inside  the  chamber  is  located on the middle top of the left wall, and the sound speaker for presentation of the  tone  is  placed  outside  the  chamber  behind  the  right  wall.  Box  B  is  the  same  model  of  conditioning  chamber  as  box  A,  with  front  and  back  walls  and  ceiling  made  of  clear  Plexiglas, but the two sidewalls are made of polished sheet metal. The sound‐attenuating  box is painted black all around. The house light is placed on the top‐back corner of the  right wall, and the sound speaker behind the left wall.  

The two chambers are also cleaned with two different detergents in order to give  different odorant cues. 

The  CS  is  a  5  Khz,  20  seconds  duration  tone,  produced  by  a  sound  generator  (RM1,  Tucker  Davies  Technologies)  delivered  through  a  horn  tweeter  (model  TL16H8OHM, VISATON). 

The  US  is  a  1.5  mA  shock  with  1.5  seconds  of  duration,  delivered  trough  a  precision programmable shocker (model H13‐16, Coulbourn Instruments). 

The  rats’  behavior  is  recorder  with  video  cameras  mounted  on  the  ceiling  of  each  chamber, for later scoring. Video data is stored in DVD. 

 

Surgery: 

Rats were anesthetized with sodium pentobarbital (65mg/Kg, i.p.) and injected  with atropine (0.04 mg/Kg, i.p.) to prevent airway obstruction. Supplemental injections  were  administered  if  and  as  needed.  After  shaving  the  animal’s  head  is  placed  in  a  stereotaxic  instrument  with  non‐puncture  ear  bars  to  secure  the  head.  After  scalp  incision and retraction the bregma was used as a reference point in order to measure  the coordinates were the amygdala should be.  Two burr holes (one in each hemisphere)  were drilled to place the cannulas (PlasticOne). Coordinates with reference to bregma  were  measured  according  to  Paxinos  and  Watson  (1998)  rat  brain  atlas:  ‐3.3  mm  posterior to bregma, ± 5.3 mm lateral to bregma and 8.0 mm ventral. After implantation,  the cannullas are secured with dental cement that also covers the extent of the hound.  After  surgery,  rats  received  an  injection  of  buprenorphine  (0.01  mg/Kg),  intended  to  minimize  the  pain,  and  are  kept  warm  and  under  observation  until  recovery  from 

(17)

anesthesia. The animals then returned to their home cages and recover from surgery for  7 to 10 days, before subsequent behavioral procedure.     Behavioral procedures:  All animals are subjected to six procedure phases:  Days 1 and 2: handling  The experimenter handles the rats in order for them to get used to the infusion  procedure. During this phase dummy caps are replaced.  Day 3: habituation 

The  animals  are  exposed  to  both  training  and  tone  test  boxes,  for  15  minutes  each. At this time no stimuli are presented. Exposure to each box is separated for at least  5 hours. 

Day 4: trace fear conditioning 

AS  our  goal  is  to  assess  the  involvement  of  the  amygdala  with  short  and  long  trace intervals between stimuli, animals were divided in two groups: one for a protocol  with  a  5  seconds  trace  interval,  another  for  a  protocol  with  40  seconds  trace  interval.  Both protocols were equal in procedures except for the trace interval.  

Before  the  training  session  animals  receive  a  0.3  µl  infusion  to  the  amygdala,  delivered by an infusion pump (model 55‐2226, Harvard Apparatus), at a rate of 0.250  µl/min.  Control  animals  receive  saline  infusions,  while  experimental  subjects  receive  muscimol.  After 20 minutes, time in which the muscimol should have been effective in  inactivating the structure, animals are placed in the conditioning box. They are allowed  to  explore  the  box  freely  for  10  minutes,  after  which  they  receive  a  5Khz  20  seconds  tone. Following the trace period (5 seconds for one group and 40 seconds for the other)  a  1.5mA,  1.5  seconds  duration  foot‐shock  is  delivered  by  the  metal  bars  floor.  The  animals stay in the conditioning box for an additional period of 180 seconds, after which  they return to their home cages. 

Day 5: tone test 

24  hours  after  training,  subjects  undergo  a  tone  test  session.  These  were  performed  in  a  box  different  form  the  training  one,  in  order  to  minimize  possible  confounding effects between freezing to the tone and to the context. After 180 seconds  habituation  period  in  which  the  rats  can  explore  the  chamber  without  stimuli,  the  animal  receives  3  CS  tones  with  20  seconds  duration  presented  with  no  shock.  The 

(18)

average inter trial interval is 180 seconds. At the end of the session, the animals return  to their home cages.  Day 6: context test  48 hours after conditioning, the levels of freezing to the context are accessed, by  placing the animals in the same box where they received the pairing of tone and shock.  The exposure lasts 5 minutes. The rats return to their home cages after the session.  Conditioned freezing levels for both tone and context were accessed, 24 hr and  48 hr after training, in a counterbalanced fashion between animals, meaning that some  were  tested  first  to  the  fear  of  the  tone  and  then  context  and  others  the  other  way  around Thus, for some animals the context test is on day 5 and the tone test on day 6.  Figure 1 represents the experimental design. 

 

   

Fig.  1  ‐  Experimental  design.  The  colors  represent  different  boxes.  On  the  habituation  day  the  animals  get  exposed  to  both  training  and  tone  test  boxes.  The  infusion  of  either  saline  or  muscimol is performed only before training. The training protocol only differs on the extent of  the trace period. 

   

(19)

Experimental groups: 

Cronical  cannulas  were  placed  bilaterally  above  the  amygdala  of  38  rats.    The  animals  were  then  randomly  assigned  to  the  two  trace  protocols  (5  seconds  and  40  seconds). In each protocol rats were randomly divided in control and test groups, which  received different treatments (saline or muscimol infusion, respectively).  Three animals  died after surgery.  

The  5  seconds  protocol  group  had  a  total  of  17  rats,  7  of  them  had  muscimol  infusions prior to training and 10 controls. After observation of the histology 5 control  and 2 test rats were discarded due to misplacement of the cannulas, denoted by lack of  fluorescence on the amygdala. An additional 3 rats (2 from the control group and one  test rat) were excluded from the analysis because they showed lesions on the amygdala.  The final composition of the groups for this protocol was 3 control (vehicle, n=3) rats  and 4 rats (muscimol, n=4) with correct inactivation of the amygdala. 

On  the  40  seconds  protocol  group,  a  total  of  18  rats  were  tested,  9  for  the  test  group and 9 controls. 3 rats were discarded because baseline levels of anxiety, measured  by freezing on the test chamber before any presentation of the CS, were higher than the  average  plus  two  times  the  standard  error  of  the  mean,  a  measure  that  we  thought  would  be  enough  to  find  outliers.  On  this  exclusion  two  rats  belonged  to  the  control  group  and  one  to  the  test  group.  One  rat  of  each  group  was  discarded  due  to  misplacement of the cannulas, and 6 (3 controls and 3 test rats) were excluded due to  lesion on the target structure. The final composition of the groups for this protocol was  3 control rats (vehicle, n=3) and 4 rats (muscimol, n=4) with correct inactivation of the  amygdala.    Histology:  To make sure the infusions were done in the correct place, after the conclusion of  the  behavioral  procedures  control  and  test  animals  were  deeply  anesthetized  with  an  overdose  of  sodium  pentobarbital,  after  which  they  received  a  0.3  µl  infusion  of  fluorescent muscimol. After death of the rats, their brains were removed and stored in  refrigerator in a 30% sucrose/paraformaldeide fixing solution until they sank (usually 2  to 4 days). When the brains are properly fixed, 40 µm thick coronal slices covering the  whole  extent  of  the  amygdala  were  cut  on  a  cryostat.  The  slices  were  examined  on  a  stereoscope with fluorescent light to judge the extension of the inactivation. 

(20)

  

Data analysis: 

Freezing  was  used  as  a  measure  of  conditioned  fear.  An  episode  of  freezing  is  defined  has  a  period  were  the  animal  has  total  absence  of  movement,  except  for  respiratory  function  related  movements  (Blanchard  &  Blanchard,  1969;  Blanchard  &  Blanchard,  1972).  Freezing  to  the  tone  and  context  test  was  recorded  on  disc  for  posterior manual score by the experimenter.  

During tone test session two measures of freezing were scored: baseline freezing  (gives us a measure of the overall anxiety level of the animal unrelated to the CS), scored  for  a  period  of  20  seconds  before  the  onset  of  the  first  CS  alone  presentation,  and  freezing to the tone CS for each of the three presentations of the 20 seconds CS. 

For the index of conditioned fear to the context, freezing measures were taken at  every other 30 seconds period of the 5 minutes test.  

 

Freezing: 

A  quick  final  word  about  the  chosen  index  of  conditioned  fear:  freezing.  It  was  first described by Blanchard and Blanchard, (1969; 1972), and it is a defensive behavior  in which the animal chooses to suppress any movement, except respiratory movements.   This is a usual response to threat when escape routes are inexistent. Not only this is a  very  easy  measure  to  take,  because  it  needs  only  direct  observation  of  the  animal’s  behavior,  also  it  has  been  shown  that  it  is  a  reliable  and  sensitive  measure  when  compared  with  instrumental  measures  like  conditioned  suppression.  These  other  measures have to be compared with baseline performance of the animals. Freezing has  been  shown  to  have  no  baseline  levels  in  control  rats  that  never  received  shocks  (Bouton & Bolles, 1980; Fendt & Fanselow, 1999).   

Results 

 

The  number  of  animals  that  reached  the  appropriate  criteria  for  analysis  was  low. Because of this no statistical analyses was performed, therefore we can only offer a  description and discussion of the effects observed. 

Some  of  the  animals  were  discarded  from  the  analysis  due  to  inefficient  inactivation.  Others  had  lesions  on  the  structure  due  to  incorrect  placement  of  the 

(21)

cannulas  that  penetrated  deeper  than  expected,  causing  the  lesion  (Fig  2).  Others had  lesions in the amygdala even though the cannulas were in the correct place, which we  believe may be due to the pressure of the injection. We excluded animals with lesions no  matter  the  extent  following  work  from  this  laboratory  (Guimarais,  unpublished  data)  showing that even small lesions have an effect on fear conditioning. This was consistent  with findings of other studies (reviewed in Maren, 2005) that found that small lesions to  different  amygdalar  nuclei  were  sufficient  to  disrupt  acquisition  and  expression  of  conditioned fear. We found an effect of the lesion on control rats, as they freeze less to  the  tone  CS  than  rats  with  no  lesion.  This  effect  was  stronger  on  the  rats  from the  40  seconds trace protocol. This might be explained because of different extent of lesions or  because the protocol with a shorter trace interval is stronger. In the 5 seconds protocol,  the rat excluded showed expected freezing results, but we observed that he had only a  unilateral  lesion  on  the  amygdala  and  therefore  he  was  able  to  learn  to  fear  the  tone.  Nevertheless,  in  the  interest  of  consistency  we  excluded  from  the  analysis  all  the  lesioned animals. Three additional rats were excluded from the results due to high pre‐ CS levels of freezing. We excluded these rats because if they displayed such high anxiety  levels before the conditioned stimulus was presented, we were unable to assure that the  freezing  during  the  tone  presentations  is  really  a  measure  of  learned  fear  and  not  an  overall state of fear by a more nervous animal. 

 

   

Fig.  2‐  Effect  of  lesion  on  the  tone  evoked  freezing  levels  in  control  rats.  The  left  image  is  an  example of a brain slice of an animal showing a bilateral lesion on the amygdala. On the right we  compare  tone  evoked  freezing  levels  of  rats  with  lesions  and  rats  that  were  accepted  for  the  analyses.   

(22)

Our  aim  was  to  access  if  the  amygdala  is  implicated  in  the  acquisition  of  fear  when stimuli are separated in time. For that we compared the levels of freezing to a tone  CS, one or two days (see methods) after the animals were subjected to one tone‐shock  pairing.  We  accessed  fear‐elicited  behavior  between  rats  with  intact  and  inactive  structures at the time of training, for two different trace intervals. Figure 3 shows on the  left an example of a successful bilateral targeting of the amygdala, and on the right an  amplification of the inactivated amygdala.       Fig. 3 ‐ The left image is an example of a photograph of a section of a rat’s brain showing  correct bilateral targeting of the amygdala. Both control and test rats were injected with 0,3 µl of  fluorescent muscimol (orange staining) to the structure before death, to allow the determination  of  correct  infusions.  The  picture  on  the  right  is  an  amplification  of  another  rat’s  brain  slice,  showing the amygdala correctly infused with the drug. 

 

To measure fear resulting from the association of tone and shock, animals were  exposed to three CS alone trials performed in a neutral context (i.e. a box different from  the  one  they  were  trained  as  explained  in  the  methods  section),  24  or  48  hours  after  conditioning  (because  of  the  counterbalanced  test  design‐  see  methods).    Due  to  the  reduced number of animals that gathered all the conditions to be accepted for analyses,  no  statistic  analysis  was  performed.  Nevertheless,  consistent  with  our  hypotheses,  in  both  trace  protocols,  animals  trained  after  muscimol  infusions  (i.e.  with  silenced  amygdala) showed lower levels of freezing to the acoustic CS, strongly suggesting that  activity  in  the  amygdala  is  indeed  necessary  to  associate  the  CS  and  US  no  matter  the  time gap between them (Fig. 3).  

During  the  tone  test  session,  for  both  protocols,  the  control  group  showed  low  freezing levels before the tone CS was presented, indicating that control animals had low 

(23)

levels  of  anxiety.  However,  these  animals  showed  robust  freezing  during  the  presentation  of  the  tones,  indicating  that  they  were  able  to  learn  to  associate  both  stimuli, and fear the tone even in the absence of shock. In the test animals the measures  of  baseline  anxiety  and  fear  of  the  tone  seem  very  similar.  This  suggests  that  the  presence of the tone does not change the behavior of the rats on the test box. In both  protocols  test  animals  displayed  less  freezing  to  the  tone  then  control  animals.  This  result  suggests  a  strong  effect  of  amygdala  inactivation  on  trace  fear  conditioning.  Animals that had the structure inactivated during training were unable to acquire a fear  memory.             Fig. 3 – Muscimol inactivation of the amygdala disrupts fear learning in a trace fear  conditioning paradigm. pre‐CS represents the percent baseline anxiety, measured in a 20 second  period before the presentation of the first CS. CS is the percentage of the amount of time spent  freezing  during  a  20  second  presentation  of  the  tone  CS,  averaged  across  3  CS  alone  trials.  Columns denote averages of each group and bars represent the standard error of the mean. 

 

As  explained  above  (methods)  we  used  different  boxes  to  measure  fear  to  the  tone and to the context. This assures that in the tone test the behavioral measure is due  to fear to the discrete stimulus. However we were also interested in understanding how  the  context  of  conditioning  might  be  relevant  for  this  paradigm,  and  if  fear  to  that  context is dependent on the amygdala. We expected to find relevant differences between  control and test animals by measuring changes in behavior in the conditioning context.  

We  had  ambiguous  results.  Figure  4  compares  the  percentage  of  fear  to  the  context,  in  both  protocols,  between  control  and  test  groups.  In  the  5  second  protocol 

(24)

there seems to be an effect of the lack of activity in the amygdala on the acquisition of  fear to the context, as control rats show higher levels of freezing when exposed to the  box were they were trained, with no other stimuli. But in the 40 seconds protocol, the  difference  is  not  clear,  and  both  groups  show  very  similar,  and  rather  low  levels  of  freezing to the context.  

 

   

Fig. 4 – Percentage of fear to the conditioning chamber (context conditioned fear) measured by  freezing.  There  is  no  clear  effect  of  amygdala  inactivation  on  this  essay.  Columns  denote  averages of each group and bars represent the standard error of the mean. 

 

Discussion 

Amygdala inactivation 

 

This  work  intended  to  investigate  the  role  of  the  amygdala  on  trace  fear  conditioning. Our results suggest that this structure is indeed necessary for this type of  learning.  

As  explain  above  (methods  section),  the  tone  test  session,  performed  24  or  48  hours  after  conditioning,  was  performed  in  a  neutral  box.  This  assures  that  we  are  testing freezing specifically evoked by the tone CS and no confounding effect comes for  the  fear  to  the  multimodal  stimuli  evoked  by  the  context.  Control  animals  in  both  protocols froze less before CS than when the tone was present. This suggests that this  tone  evoked  response  is  in  fact  due  to  associative  fear  of  the  tone,  more,  this  is  supported by the lack of difference when comparing baseline freezing and tone evoked  response in test animals, suggesting that they fail to make the association. Our results  show that animals with amygdala inactivation show considerable less freezing to the CS  than control animals in either protocol, suggesting that they did not learn that the tone 

(25)

predicted threat. This indicates that learning about the predictive properties of the CS  depends  on  the  proper  activity  in  the  amygdala,  irrespective  of  the  presence  of  a  temporal gap between stimuli. Our results are in agreement with decades of literature  resulting from studies that pinpoint the amygdala has playing a crucial role in numerous  types of aversively motivated learning. Not only it is needed for the association, but also  for  the  expression  of  conditioned  fear  and  storage  of  the  fear  memory  (Fendt  &  Fanselow, 1999; LeDoux, 2000; Maren, 2005; Blair et al, 2005; Han et al, 2007). More,  the  levels  of  freezing  displayed  by  muscimol  infused  animals  are  similar  to  those  displayed  by  animals  that  received  explicitly  unpaired  tones  and  shocks,  and  thus  are  unable to associate them, found in previous observations by this laboratory (Guimarais,  unpublished  data),  supporting  further  the  idea  that  in  fact  activity  in  the  amygdala  is  necessary  for  association  of  stimuli  on  trace  fear  conditioning.  Also,  our  levels  of  fear  response in control animals are in agreement to the levels obtained in the cited study, by  animals  that  received  strong  training  with  multiple  pairings  of  stimuli.  This  not  only  comes to support our data as evidence that the amygdala is important for our paradigm,  as  it  shows  that  one  single  pairing  of  tone  and  shock  is  sufficient  to  form  a  strong  association between stimuli. 

When the animals were tested for fear responses to the context the results were  not  so  clear.  Although  context  fear  conditioning  seems  to  be  dependent  on  the  hippocampus,  it  has  been  stated  that  the  association  also  takes  place  in  the  amygdala  (Phillips & LeDoux, 1992; Fanselow & Kim, 1994; Maren & Hobbin, 2007). If this is the  case  then  we  expected  that  animals  with  inactive  amygdala  were  unable  to  form  an  association between the shock and the context, represented by the lack of freezing when  exposed  to  the  context  box.  In  the  5  seconds  protocol  we  observe  this  effect,  as  muscimol  infused  animals  show  virtually  no  freezing  to  the  context.  Control  animals  display considerably higher levels of freezing, showing that they were able to learn to  fear the context in which they received the shock.  However, in the 40 seconds protocol,  there is no clear difference in both treatments. One possibility is that this is the result of  a bias due to a low sample size. Furthermore, when looking at the raw data we observe  that  it  is  just  one  of  the  muscimol  animals  that  displays  abnormally  high  levels  of  freezing to the context, and that this only happens towards the end of the test session,  which might reflect that what we classified as freezing could be resting. Increasing the  sample  size  is  needed  to  clarify  this  point.  One  observation  harder  to  explain  is  the 

(26)

difference in freezing observed between control animals of both protocols: 40 seconds  control  group  shows  a  relatively  low  freezing  level  when  compared  to  the  5  seconds  control  group.  In  theory  we  would  expect  otherwise.  Delay  conditioning  studies  show  that animals that receive paired tones and shocks freeze less to the context then animals  that receive unpaired training. This is explained by the fact that context CS cues are the  only  relevant  stimuli  when  the  tone  means  nothing  for  the  fear  association  (Anagnostaras et al., 2001). When there is a trace interval separating the stimuli the task  of association gets harder as the interval increase. In a longer trace interval we expect  that  the  surrounding  visuospatial  cues  would  be  more  salient  than  in  a  shorter  trace  interval, because they would compete with the tone for the attention of the animal. This  would also explain why test subjects in the 40 seconds protocol freeze less to the tone  when  compared  with  the  5  seconds  test  group:  in  the  longer  trace  the  tone  shares  its  salience with the environment, so when presented alone, although it elicits freezing, it  does  not  show  such  a  severe  effect  than  when  the  tone  is  the  stronger  stimulus,  as  in  small  trace  intervals.  But  when  we  compare  levels  of  freezing  to  the  context  alone  between control animals we fail to see the predicted effect: animals in the shorter trace  protocol  freeze  more  to  the  context  than  their  40  seconds  counterparts  for  which  the  environment should represent a stronger conditioned stimulus. We have no explanation  for this, except the fact that our sample size is low, which is particularly relevant as we  found that single trial conditioning does not yield reliable context fear.  

A  final  concern  goes  to  our  chosen  measure  of  conditioned  fear,  freezing.  It  is  easy  to  measure  and  it  has  been  shown  to  be  quite  reliable  when  compared  with  instrumental  measures  (Bouton  &  Bolles,  1980;  Fendt  &  Fanselow,  1999).  However,  freezing  is  hard  to  score  when  we  do  not  have  a  measure  of  the  baseline  activity.  Therefore  it  would  be  interesting  to  repeat  this  kind  of  experiments  using  a  different  measure  of  fear,  such  as  conditioned  suppression,  in  which  the  animal  stops  the  behavior  that  gathers  him  appetitive  stimuli  such  as  food  or  water,  when  an  aversive  stimulus is present. This might be a more sensitive measure of conditioned fear, yielding  a less ambiguous answer to some aspects of trace fear conditioning. 

     

(27)

Concluding Remarks 

 

  We  have  shown  evidence  that  the  amygdala  is  necessary  for  trace  fear  conditioning independently of the time span that separate stimuli. This work is part of  bigger project that aims to understand how are the amygdala, mPFC and hippocampus  working together to bridge the temporal gap on this trace paradigm.  We have shown  elsewhere  (Guimarais  et  al.  2009),  that  activity  in  the  mPFC  during  conditioning  is  necessary  to  acquire  the  association  between  stimuli.  This  was  found  true  for  both  protocols. Inactivation of this structure during the training phase impaired fear learning.  The same work revealed that the hippocampus is only recruited when the time gap is  longer, as inactivation of this structure, at the time of learning, showed no significative  influence on subsequent behavior when the trace interval is small. That is to say that the  hippocampus  is  probably  only  needed  when  the  animal  needs  to  recur  to  the  representation  of  the  whole  episode  in  which  it  was  shock,  in  order  to  be  able  to  associate the stimuli. The mPFC is probably responsible for keeping an immediate short‐ term memory of the tone and subsequently relay that information to the amygdala (in  the short trace protocol). In the longer trace protocol the mPFC might be relaying the  information directly to the amygdala or via the hippocampus. Regardless of the input to  the amygdala that sustains activity during the trace interval, either the mPFC and/or the  hippocampus, we conclude that the amygdala is always necessary.    

Future research 

    Now the laboratory is interested in investigate further the connections between  our target structures. We would like to address “who is talking to who”. For this we are  performing  a  combination  of  double  disconnections  (amygdala/mPFC;  amygdala/hippocampus and hippocampus/mPFC) that we hope will shed some light on  the details of this circuitry.   

Imagem

Figure 1 represents the experimental design. 
Fig.  2‐  Effect  of  lesion  on  the  tone  evoked  freezing  levels  in  control  rats.  The  left  image  is  an  example of a brain slice of an animal showing a bilateral lesion on the amygdala. On the right we  compare  tone  evoked  freezing  levels 
Fig. 4 – Percentage of fear to the conditioning chamber (context conditioned fear) measured by  freezing.  There  is  no  clear  effect  of  amygdala  inactivation  on  this  essay.  Columns  denote  averages of each group and bars represent the standard e

Referências

Documentos relacionados

the most consistent inding regarding fear conditioning in anxiety disorders is the failure to recall extinction found to be much more prevalent among PTSD patients

The present case study main goal is to understand consumers’ behaviour towards PLs and the limitations posed to the growth of these products market share on categories with

glomerata , the major component, aromadendrene, exhibited the same degree of toxicity as p -cymene, independently of the method employed (fumigation or residual contact),

The probability of attending school four our group of interest in this region increased by 6.5 percentage points after the expansion of the Bolsa Família program in 2007 and

place in both lateral and central nucleus of the amygdala.. c) Role of CeA in discriminative fear. The central nucleus of the amygdala is another

Conceição Pinto (2006) lançou uma proposta interessante sobre o ensino da língua espanhola, onde no que se refere às zonas de contato direto com o idioma espanhol, ele propõe que

Figure 2. Learning and memory assessed by fear conditioning and water maze tests. A) Fear conditioning: percentage of freezing in the context and cue tests of memory 24 hours

De acordo com Lia, a partir de 2006 a SME passou a acompanhar a escola em contato direto com o Professor Orientador de Informática Educativa (POIE) e com os alunos. Desse