Increase in the arkypallidal neuron-projecting bridging collaterals in the GPe induces impulsive behavior in mice

국문 초록 (Abstract)

기저핵 네트워크의 일부인 외측 창백핵(Globus pallidus, GPe)은 선조체의 도파민 D2 수용체를 발현하는 중형돌기 신경세포(medium spiny neurons)에서 시작하는 간접 경로 내의 중계소(relay station)로 간주되어 왔다. 그러나 최근의 영상 및 유전적 연구에 따르면, 외측 창백핵이 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD)와 같은 특정 병리학적 상태와 중요한 연관이 있는 영역임을 암시한다. 도파민 D1 수용체를 발현하는 중형돌기 신경세포는 주로 흑색질 그물부(SNr)에 투영되어 직접 경로를 형성하지만, 브릿징 콜래트럴(bridging collaterals)로 GPe에도 시냅스 연결을 만든다는 것이 밝혀졌다. 그리고 외측 창백핵에서 브릿징 콜래트럴과의 시냅스 연결 강도의 변화는 선조체의 신경 활동의 변화가 원인이 되는 것으로 나타났다.
이 연구에서는 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD) 관련 표현형, 그 중에서도 특히 충동적 행동에서 브릿징 콜래트럴의 증감에 따른 기능적 역할을 조사했다. 먼저, 화학 유전학적 구조 (DREADD), hM3Dq에 의해 브리징 콜래트럴의 변화를 유도하기 위해 등내측 선조체 활동을 조작했다. 또한 지연 기반 의사 결정 작업의 결과에서 대조군 마우스에 비해 브릿징 콜래트럴을 증가시킨 마우스에서 충동성이 유의하게 높다는 것을 밝혀냈다. 다음으로 새로운 사물 인식 실험을 사용하여 주의력 결핍과 같은 다른 ADHD 관련 행동 표현형을 조사한 결과, 24 시간 후에 실시한 실험 결과에서 실험군이 익숙한 대상을 기억하지 못하는 것을 관찰했습니다. 그러나 새로운 물체 인식 실험에서의 30분 후에 실시한 실험 결과와 과잉 행동을 감지하기 위해 사용하는 홈 케이지 활동 측정 결과에서 대조군과 실험군간의 차이를 보이지 않았다.
외측 창백핵에는 크게 두 가지 세포 종류가 존재하는데, 선조체로 다시 신호를 보내는 Arkypallidal 신경세포와 시상하핵(STN)으로 신호를 보내는 Prototypic 신경세포가 있다. 선행 연구에서는 대부분의 브리징 콜래트럴이 이 중 Arkypallidal 신경세포에 주로 시냅스 연결을 형성한다는 것이 밝혀졌다. 이 연구에서는, 브릿징 콜래트럴이 증가하면 Arkypallidal 신경세포로의 억제성 신호가 강해진다는 가정하에 외측 창백핵의 Arkypallidal 신경세포를 화학 유전학적 구조 (DREADD), hM4Di로 직접적으로 억제하였다. 그 결과, 지연 기반 의사 결정 작업에서 대조군에 비해 충동성이 유의하게 증가하는 것을 관찰하여 등내측 선조체를 만성적으로 활성 시켜 브릿징 콜래트럴을 증가시켰을 때와 같은 결과를 얻었다. 또한 Arkypallidal 신경세포를 직접적으로 억제한 결과, 새로운 물체 인식 실험과 홈 케이지 활동에서 주의력 결핍과 과잉 행동이 유의하게 증가하는 것을 확인했다.
이 연구는 충동성과 ADHD의 원인을 이해하기위한 해부학적 및 기능적 기초를 제공한다. 따라서 이 연구가 ADHD의 병리생리학적 기전의 이해와, 새로운 치료법 개발의 발판이 되었으면 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Globus pallidus (GPe), a part of the basal ganglia network, has been simply regarded as a relay station within the indirect pathway starting from medium spiny neurons expressing dopamine D2 receptors (D2-MSNs) of the striatum [1]. However, recent imaging and genetic studies imply GPe as a critical region for certain pathological conditions such as Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) [2]. While direct pathway is formed by dopamine D1 receptor-expressing MSNs majorly projecting to the substantia nigra pars reticulata (SNr) [1], their collaterals (termed bridging collaterals) also make synaptic connections onto the GPe [3] and the activity alterations in the striatum has been shown to cause dynamic changes in the quantity of the bridging collaterals within the GPe [3][4].
In this study, I investigated the functional role of bridging collateral dynamics in ADHD-related phenotypes, especially impulsivity. First, I manipulated the striatal activity to induce changes in bridging collaterals by chemogenetic construct (DREADD), hM3Dq. I also found that behavioral impulsivity measured by delay-based decision making task was significantly higher in these mice compared to that in control mice. Next, I examined other ADHD-related behavioral phenotypes, such as attention deficit, by using a novel object recognition test and observed that, in the data from the test conducted after 24 hours, the experimental group did not remember the familiar object. However, there was no difference between the control group and the experimental group in the after 30 minute test of Novel object recognition test as well as homecage activity measurement results, which is used to detect hyperactivity.
In previous studies, most of the bridging collaterals make contacts to GPe largely onto the arkypallidal neurons, which send feedback projections to the striatum, but much less onto the prototypic neurons, which project to the STN. I directly inhibited arkypallidal neurons in GPe and observed increased impulsivity in delay-based decision making task, similarly to when I chronically activated DMS to increase bridging collaterals. In this case, I confirmed a significant increase in attention deficit via novel object recognition test and hyperactivity through homecage activity.
This study provides an anatomical and functional basis for understanding impulsivity and possibly the etiology of ADHD. I hope to further comprehend the pathophysiological mechanisms of ADHD and find an insight on the development of new treatments.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT 1
• INTRODUCTION 3
• 1. Basal ganglia 3
• 2. Globus pallidus (GPe) 6
• 3. Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) 8
• MATERIALS & METHODS 14
• 1. Animals 14
• 2. Stereotactic surgeries 14
• 2.1. Enhanced bridging collaterals 14
• 2.2. Inhibition of arkypallidal neurons in GPe 15
• 3. Behavioral test 16
• 3.1. Delay-based decision making task (T-maze test) 16
• 3.2. Novel object recognition test 19
• 3.3. Homecage activity 20
• 4. Perfusion and Sectioning 21
• 5. Immunohistochemistry 21
• RESULTS 23
• 1. Enhanced bridging collaterals exhibits increased impulsivity in delay-based decision making 23
• 2. Novel object recognition test and homecage activity to check other ADHD-like phenotype 29
• 3. Inhibition of arkypallidal neurons in GPe induces impulsivity and other ADHD-like phenotypes 37
• DISCUSSION 50
• REFERENCES 53
• ABSTRACT IN KOREAN 60