Enhanced alarm signal by parabrachial CGRP neurons promotes freezing behavior in spite of chasing threat = 후뇌 CGRP 뉴런에 의한 체이싱 위협 학습 강화와 방어 행동의 촉진

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fear is expressed by a wide spectrum of behaviors and it is crucial to orchestrate defensive behaviors that match distinct threat circumstances. The neurons expressing calcitonin gene related peptide (CGRP) in the parabrachial nucleus (PBN) are known as a general alarm signal that responds to aversive stimuli of diverse sensory modalities and alert the forebrain of ongoing or potential threats. To investigate whether activation of CGRPPBN neurons promotes adaptive defensive behavior that fits the context, a naturalistic threat paradigm was employed. Chasing threat paradigm mimics an imminent threat situation where mice are placed in a circular track and chased by a predator-like robot. To investigate how CGRPPBN neurons respond to chasing threat, Calcacre/+ mice were injected with adeno-associated virus carrying Cre- dependent channelrhodopsin and implanted with an optrode array over the PBN. Mice were subjected to chasing threat conditioning in which a 10-s auditory cue was paired with 3 s of predator-like object chasing, and the in vivo recordings show that CGRPPBN neurons are activated primarily by chasing threat. Then, to determine whether CGRPPBN neurons contribute to defensive behavior, mice were bilaterally injected with adeno-associated virus carrying Cre-dependent channelrhodopsin and implanted with fiber-optic cannulae over the PBN, and CGRPPBN neurons were optogenetically activated. Repeated 40-Hz stimulation of CGRPPBN neurons evoked robust immediate freezing behavior. To test whether the photostimulation of CGRPPBN neurons is aversive to an extent that induces threat learning and memory, mice were subjected to optogenetic threat conditioning in which a 10-s auditory cue was paired with 7-s photostimulation. When returned to the conditioning context the next day, mice exhibited conditioned freezing behavior. Lastly, to investigate whether activation of CGRPPBN neurons increases the alarm signal and promotes defensive behavior appropriate to the context, mice were subjected to chasing threat conditioning in which a 10-s auditory cue was paired with a 3-s predator-like robot chasing. CGRPPBN neurons were activated during the chasing threat and a significantly higher freezing was observed in response to both the conditioning context and the tone the next day. These findings suggest that CGRPPBN neurons show primary response to unconditioned chasing threat and that the activation of CGRPPBN neurons relays aversive information and induces immediate freezing behavior and threat memory. In addition, the activation of CGRPPBN neurons under chasing threat strengthens threat memory by increasing alarm signal while promoting freezing behavior during and following threat conditioning.

국문 초록 (Abstract)

두려움은 다양한 행동으로 표현되며 위협 상황에 적합한 방어 행동을 조율하는 것이 중요하다. Parabrachial nucleus (PBN)에서 calcitonin gene related peptide (CGRP)를 발현하는 뉴런은 다양한 감각 양식의 혐오 자극에 반응하고 전뇌에 진행 중이거나 잠재적인 위협을 경고하는 일반적인 경보 신호로 알려져 있다. CGRPPBN 뉴런의 활성화가 상황에 적합한 적응적 방어 행동을 촉진하는지 여부를 조사하기 위해 자연적 위협 패러다임을 사용했다. 체이싱 위협 패러다임은 생쥐가 원형 트랙에 배치되고 포식자 같은 로봇에 의해 쫓기는 임박한 위협 상황을 모방한다. CGRPPBN 뉴런이 체이싱 위협에 어떻게 반응하는지 조사하기 위해 Calcacre/+ 마우스에 AAV-DIO-ChR2-eYFP를 주입하고 PBN 위에 옵트로드 어레이를 이식했다. 쥐는 10초의 CS가 3초의 체이싱 위협과 연합된 체이싱 위협 컨디셔닝을 받았고, CGRPPBN 뉴런이 주로 체이싱 위협에 의해 크게 활성화 된다는 것을 관찰했다. 그런 다음 CGRPPBN 뉴런이 방어 행동에 기여하는지 여부를 확인하기 위해 마우스에 AAV-DIO-ChR2-eYFP를 양측에 주입하고 PBN에 광섬유 캐뉼라를 이식하여 CGRPPBN 뉴런을 광유전학적으로 활성화했다. CGRPPBN 뉴런의 반복된 40-Hz 자극은 강력한 즉각적 동결 행동을 유발했다. CGRPPBN 뉴런의 광자극이 공포 학습 및 기억을 유도하는 정도까지 혐오적인지 여부를 테스트하기 위해 마우스를 10초의 CS와 7초의 광자극과 연합시켜 광유전적 위협 컨디셔닝을 실시했다. 다음날 컨디셔닝 컨텍스트로 돌아왔을 때 마우스는 학습된 동결 행동을 보였다. 마지막으로, CGRPPBN 뉴런의 활성화가 경보 신호를 증가시키고 상황에 적합한 방어 행동을 촉진하는지 여부를 조사하기 위해 마우스를 10초의 CS와 3초의 체이싱 로봇을 연합시켜 체이싱 위협 컨디셔닝을 실시했다. CGRPPBN 뉴런은 체이싱 위협 동안 활성화되었고 다음날 컨디셔닝 컨텍스트와 톤에 대한 높은 동결 행동이 관찰되었다. 이러한 결과는 CGRPPBN 뉴런이 체이싱 위협에 의해 활성화 되고, CGRPPBN 뉴런의활성화가 혐오 정보를 전달하고 즉각적인 동결 행동과 공포 기억을 유도함을 시사한다. 또한 체이싱 위협 동안 CGRPPBN 뉴런을 활성화 시켰을 때 경보 신호를 증가시켜 공포 기억을 강화하는 동시에 동결 행동을 촉진하는 것을 발견했다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• 국문 초록 iv
• TABLE OF CONTENTS vii
• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• CHAPTER 2. METHODS 3
• 2.1 Animals 3
• 2.2 Viral vectors 3
• 2.3 Stereotaxic surgery 3
• 2.4 Single-unit recording 4
• 2.5 Chasing threat conditioning 6
• 2.6 Optogenetic conditioning 7
• 2.7 30-s stimulation 8
• 2.8 Histology 8
• 2.9 Statistical analysis 8
• CHAPTER 3. RESULTS 10
• 3.1 CGRPPBN neurons are activated by chasing threat 10
• 3.2 Activation of CGRPPBN neurons elicits freezing response 13
• 3.3 Activation of CGRPPBN neurons induces threat learning 15
• 3.4 Activation of CGRPPBN neurons enhances freezing behavior following chasing threat learning 17
• CHAPTER 4. DISCUSSION 20
• REFERENCES 23