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Central amygdala control of emotional states via the basal forebrain and bed nucleus of stria terminalis

Dominic Herbert Kargl

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Wulf Haubensak

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DOI

10.25365/thesis.26792

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30489.78010.108454-9

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Forschung an Emotionen ist ein zunehmend bedeutendes Thema der Neurowissenschaften. Durch diese Anstrengungen konnte die grundsaetzliche Neuroanatomie der Angst definiert werden, wobei die Amygdala im medialen Temporallappen eine zentrale Position einnimmt. Da sie sowohl die autonomen als auch die Verhaltensreaktionen, die ein Angststimulus induziert, vermittelt, wird die Amygdala nun als ein emotionales Zentrum des Gehirnes verstanden. Das neuroanatomische Wissen der Angst wird zunehmend durch neue Erkenntnisse ueber die Mechanismen in den neuronalen Netzwerken selbst komplementiert. Grosse Fortschritte gelangen nicht zuletzt durch methodische Neuerungen, wie das Aufkommen der Optogenetik, die eine oertlich und zeitlich praezise Kontrolle definierter neuronaler Populationen erlaubt. Ein solcher Mikroschaltkreis wurde in der lateralen zentralen Amygdala (CEl) beschrieben und von zwei unterschiedlichen Zellpopulationen, die sich durch die Expression der Proteinkinase C-delta (PKC-delta) unterscheiden, gebildet. Im Ruhezustand sind die PKC-delta+ Zellen tonisch aktiv und inhibieren damit PKC-delta- und Stammhirn-projizierende Zellen in der medialen CE. Die relative Aktivitaet dieser Zellpopulationen wird jedoch durch einen Angststimulus zu den PKC-delta- Zellen hin verschoben, wodurch die PKC-delta+ Zellen inhibiert und somit die Effektorzellen in der medialen CE disinhibiert werden, wodurch Angstverhalten ausgeloest wird. Im Zuge dieser Arbeit sollte das Wissen ueber die neuronalen Mechanismen in der CEl auf einen konzeptionellen Makroschaltkreis, der Erweiterten Amygdala (EA), angewandt werden. Zur EA zaehlen der Bed Nucleus striae terminalis (BNST) und der Nucleus Basalis (NBM). Es wurde zuvor gezeigt, dass der BNST fuer chronische Angstzustaende verantwortlich ist, wohingegen die Aktivitaet im NBM kortikale Erregung verursacht. Die Projektionen der CEl zum BNST und NBM wurden im Zuge dessen histologisch und funktionell, anhand unterschiedlicher Verhaltenstests charakterisiert. Diese Arbeit zeigt, dass der Beitrag der PKC-delta+ und PKC-delta- Zellen der CEl zur jeweiligen Projektion zum BNST und NBM eine Asymmetrie aufweist. Ebenso, dass die optogenetische Aktivierung der Axone von PKC-delta- Zellen im BNST und NBM modulatorischen Einfluss auf die Angstkonditionierung nimmt. Die Aktivierung im BNST bewirkte eine Generalisierung der Angst, sichtbar durch eine vergleichbare Angstreaktion zu einem unspezifischen Stimulus. Im Gegenteil dazu zeigte eine Aktivierung im NBM eine Verbesserung der Unterscheidungsfaehigkeit zwischen den spezifischen und unspezifischen Stimuli, womoeglich ausgeloest durch erhoehte kognitive Prozessierung in kortikalen Regionen. Diese Arbeit zeigt, wie ein Mikroschaltkreis in der CEl autonome, wie auch Verhaltensreaktionen der Angst im Kontext eines Makroschaltkreises koordiniert. Diese Resultate koennten zur Aufklaerung beitragen, wie globale makroanatomische Prinzipien durch Mikroschaltkreise vermittelt werden.

Abstract

(Englisch)

Emotions have been a major area of research over the last decade. In fact, fear is the emotion most heavily studied, which has led to a detailed understanding of the global neuroanatomy of fear. A key role is assigned to the amygdala, a central hub for emotion processing, located in the medial temporal lobe, which is known to mediate the behavioral and autonomous responses that we observe during the experience of fear. With the macrocircuitry in mind, knowledge of microcircuit mechanisms is just beginning to emerge, mostly due to the recent development of genetic and optogenetic techniques that allow for precise targeting of specific cell types and interfere with their function. A microcircuit of distinct cell populations, marked by the presence or absence of protein kinase C-delta (PKC-delta), in the central amygdala (CE), the major output of the amygdalar complex, has been described in great detail. It has been shown that the relative activity of these cell populations is shifted upon the impact of a fear stimulus towards the PKC-delta- neurons, as opposed to the tonic activity of PKC-delta+ neurons in the resting state. This shift disinhibits neurons in the medial CE, thereby eliciting a fear response. This study seeks to contextualize the knowledge of the microcircuit mechanism in the CE by embedding it in a conceptual macrostructure, the extended amygdala (EA). The EA includes the Bed Nucleus of Stria Terminalis (BNST) and the Nucleus Basalis of Meynert (NBM), structures known to be crucial for sustained fear responses and cortical arousal, respectively. In this thesis, the projections of PKC-delta- neurons in the CE, that are activated by a fear-associated stimulus, were characterized histologically and functionally by optogenetic activation of their axon terminals in the BNST and NBM in a variety of behavioral paradigms that assess their impact on anxiety and fear. We found that projections of PKC-delta- and PKC-delta+ neurons are asymmetrically represented in the NBM and BNST. Furthermore, activation of PKC-delta- terminals from the lateral CE in the NBM and BNST exerted modulatory influence on fear learning in the Pavlovian fear conditioning paradigm. Stimulation in the BNST during training resulted in major generalization of fear that led to the incorporation of irrelevant stimuli into the fear experience. Conversely, stimulation of PKC-delta- fibres in the NBM led to enhanced differentiation between predictive and non-predictive cues, probably due to enhanced attentional functions in the cortex. This study provides a first mechanistic framework for how a microcircuit in the CEl coordinates behavioral and autonomous responses on the macrocircuit level. These findings could help in increasing the knowledge on how global macroanatomical principles are mediated on the microcircuit level.

Autor*innen

Dominic Herbert Kargl

Haupttitel (Englisch)

Central amygdala control of emotional states via the basal forebrain and bed nucleus of stria terminalis

Paralleltitel (Deutsch)

Kontrolle emotionaler Zustaende durch die zentrale Amygdala ueber das basale Vorderhirn und dem Nucleus striae terminalis

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

84 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Wulf Haubensak

Klassifikation

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges

AC Nummer

AC11310268

Utheses ID

23966

Studienkennzahl

UA | 066 | 834 | |

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