Resumen de Neuronal circuits underlying cooperative behaviors between rodents
- español
Los comportamientos sociales como la cooperación son decisivos en la supervivencia de los mamíferos, incluida la especie humana. Conocer mejor los mecanismos neuronales que subyacen a los comportamientos cooperativos puede tener un impacto positivo en la calidad de vida de las personas que sufren patologías que afectan a las relaciones sociales, como el autismo o la esquizofrenia. En esta Tesis Doctoral hemos examinado las propiedades eléctricas de tres importantes estructuras cerebrales durante el aprendizaje de una tarea instrumental cooperativa en ratas.
Concretamente, estudiamos la corteza prelímbica (PrL), el núcleo accumbens septi (NAc) y la amígdala basolateral (BLA), tres zonas previamente relacionadas con los comportamientos sociales. Para examinar los cambios en la actividad eléctrica de estas estructuras durante la cooperación, construimos una doble caja de Skinner dividida por una rejilla metálica que permitía a los animales verse, olerse y tener contacto físico parcial a través de ella. Una vez construido el instrumento, diseñamos un protocolo para el aprendizaje instrumental de la tarea cooperativa. Primero, las ratas se entrenaron de forma individual a subir a una plataforma y conseguir un pellet de comida. Una vez aprendida esta fase, se enseñó a las ratas a subir a sus respectivas plataformas (y quedarse ahí simultáneamente > 0.5 s) para que ambas obtuvieran pellets de comida. Este diseño nos permitió registrar los potenciales de campo locales (LFPs) en las áreas de interés durante el aprendizaje de la tarea cooperativa.
Hasta donde sabemos, este es el primer trabajo que aborda el estudio de los mecanismos cerebrales que subyacen a los comportamientos cooperativos entre mamíferos. Con el aparato y protocolo diseñados, las ratas fueron capaces de sincronizar sus comportamientos, y ajustar sus respuestas respectivas, cooperando para conseguir una recompensa común. Este protocolo se utilizó durante tres experimentos diferentes:
En el primer experimento, estudiamos la implicación de la corteza PrL en la tarea de cooperación. En general, la actividad de la corteza PrL incrementó cuando las ratas estaban encima de la plataforma, en comparación con los periodos en los que estaban fuera de ella. Además, las ratas desarrollaron estrategias comportamentales distintas durante la fase de cooperación. Algunas ratas (denominadas líderes) ajustaron su comportamiento al de su compañera para cooperar, mientras otras ratas (denominadas seguidoras) mantuvieron una estrategia individual. Estos cambios comportamentales correlacionaron con cambios en el poder espectral de los LFPs registrados en la corteza PrL, mostrando la máxima potencia espectral en la banda delta en las ratas líderes durante la cooperación.
En el segundo experimento, cuatro grupos de ratas participaron en el protocolo de cooperación, esta vez sin electrodos implantados. Para analizar los niveles de expresión de cFOS en los principales subgrupos neuronales de la corteza PrL a lo largo de las diferentes fases, se extrajeron los cerebros en momentos claves del aprendizaje (por ejemplo, una vez alcanzado el criterio para la fase cooperativa). En este experimento, las ratas completaron con éxito el protocolo de cooperación y también se observaron diferentes roles a la hora de cooperar: líderes y seguidoras. Las ratas líderes mostraron un incremento de la expresión de cFOS en las células dopaminérgicas con receptores D1 durante la fase de cooperación, en comparación con las ratas seguidoras y con lo observado en la fase individual.
En el último experimento, estudiamos el papel y la conectividad funcional de la corteza PrL, el NAc y la BLA en la tarea de cooperación. Al igual que en el primer experimento, la actividad de la corteza PrL aumentó cuando las ratas estaban cooperando encima de la plataforma, esta vez en comparación con lo registrado segundos antes de subir. Lo mismo ocurrió en el NAc, mientras que la actividad de las bandas delta, theta y beta de la BLA disminuyó considerablemente cuando las ratas estaban cooperando. La conectividad entre la corteza PrL y el NAc aumentó en la banda theta (alta) durante la cooperación, mientras la conectividad en las bandas delta y theta (baja) disminuyó. La conectividad funcional entre el NAc y la BLA disminuyó en las bandas delta y theta cuando las ratas estaban cooperando en la plataforma.
- English
-------- Abstract Social behaviors such as cooperation are crucial for the life of mammals, including humans. A better knowledge of the neuronal mechanisms underlying cooperative behaviors can have a positive impact on the quality of life of people suffering from pathologies in which social behavior is impaired, such as autism and schizophrenia. In this Doctoral Thesis, we examined the electrical properties and mechanisms in three selected brain structures during an instrumental cooperative task in rats.
Specifically, we examined the prelimbic cortex (PrL), the nucleus accumbens septi (NAc) and the basolateral amygdala (BLA), three brain sites that were previously linked to social behaviors. To study the functional changes in the activity of these structures during cooperation, we developed a double Skinner box divided by a metallic grille, which allowed a pair of rats to see and smell each other and have limited physical contact through the grille. Once the apparatus was developed, we designed a protocol for the acquisition of an instrumental cooperative task. First, rats were trained to individually climb onto a platform to obtain a food reward. After that, rats were progressively trained to climb on their respective platforms (and stay there simultaneously for > 0.5 s) to get food pellets for both animals. This set-up was compatible with the in vivo recording of local field potentials (LFPs) at the places of interest during the acquisition of the cooperative task.
To the best of our knowledge, this was a pioneer study on brain mechanisms underlying cooperative behaviors between mammals. With the designed apparatus and protocol, rats were capable of synchronizing their behaviors and adjusting their responses to cooperate for a mutual reward in three different experiments:
In the first experiment, we studied the implication of the PrL cortex during the cooperation task. In general, the PrL activity increased when rats were on the platform compared with periods off the platform. Rats also showed a clear differentiated role during the cooperating phase. Some rats (designated leaders) adjusted their behavior to their partners to cooperate, while other rats (designated followers) kept an individual strategy. These behavioral changes correlated with changes in the spectral power of the LFPs recorded in the PrL cortex, with the highest power observed in the delta frequency band for leader rats during the cooperation task.
In the second experiment, four groups of rats performed the cooperation protocol, without electrodes this time, and their brains were collected at key moments of the learning process (for example, after reaching the criterion for the cooperative phase). The aim was to analyze the levels of cFOS expression in the main cellular subgroups inside the PrL cortex across the different phases. In this experiment, rats completed the cooperation task successfully and there was also a difference in the roles that rats developed during cooperation: leaders or followers. Leader rats showed increased cFOS expression in dopaminergic cells expressing D1 receptors during the cooperation phase in comparison with follower rats and the individual phase.
In the last experiment, we studied the implication and functional connectivity of the PrL cortex, the NAc and the BLA during the cooperation task. As in the first experiment, the PrL activity increased when rats were cooperating on the platform, this time compared to PrL activity seconds before climbing to the platform. The same occurred with the activity recorded in the NAc, while BLA activity in delta and theta bands decreased considerably when rats were cooperating on the platform. PrL and NAc increased their high theta band connectivity when rats were cooperating on the platform while the connectivity in the delta and low theta bands decreased. The functional connectivity between NAc and BLA decreased in delta and theta bands when rats were cooperating on the platform.
