Class Notes (836,374)
Canada (509,758)
Psychology (3,336)
PSYC 318 (17)
Lecture 5

PSYC 318 - Week 5 Lecture notes

26 Pages
Unlock Document

PSYC 318
Wayne Sossin

PSYCH 318  Behavioral Neuroscience II   Salah El Mestikawy    Week 5, Class 1: VGLUT3 and basal ganglia  VGLUT3 in TANS and addiciton    Glutamatergic neurons  • The « old view » of glutamatergic pathways was pretty straightforward  • Functions of glutamate in the brain  o Major excitatory neurotransmitter in the CNS (20% of glutamate)  o Involved in all brain functions (cognitive, memory, sensori‐motor, limbic, etc…)  o Gliotransmitter  o Metabolism (80% of glutamate)  • Key actors in the brain!    Vesicular glutamate transporters – VGLUTs  • Vesicular transporters mechanistic  o Neurotransmitter transporters are secondary transporters  ƒ Accumulation of protons inside the vesicle by primary transporters leads to:  • A charge difference  • A pH difference  ƒ The Proton gradient has two components!  • ΔμH = ΔΨ + ΔpH    Recall 3 large transport families  • First – Sugar Porter:  o Derived from bacterial proteins that transport sugar  o VMAT  ƒ Uses mostly pH  o VACHT  • Second – Amino Acids Auxine Permeases:  o VIAAT or VGAT (vesicular Gaba transporter)  ƒ VGAT uses both charge and pH  o Carry both GABA and Glycine  • Third – Vesicular Glutamate Transporterd  o Glutamate  ƒ Uses mostly charge        Vesicular glutamate transport in brain vesicles  • mM affinity for glutamate  • No transport for aspartate, glutamine or GABA  • Dependent on the Δψ component of pH gradient (not the ΔpH)  o Specific transporters: Use mostly charge difference.  o Any cation will do the job  • Inhibition by dyes: Rose Bengal, Trypan Blue, Evans Blue (10‐100nM)    The VGLUTs family shows reasonable homology: VGLUT1,2&3 are pretty conserved.    Cells can be used for research:  • Purify cells, assay for glutamate accumulation.  • Low initial material means difficult assay.  • Identical Vesicular Transport of glutamate by VGLUT1‐3.  o Clones had same properties as the cells in brain.  o Why 3 subtypes for the exact same job?    VGLUT1&2 in the rodent brain  • Analyzing anatomy: In‐situ hybridization  o Detect (using radioactive probes) biosynthesis of vesicular glutamate transporters  (parasagittal descents)  ƒ VGLUT1:  • Expressed in Cortical areas:  o Cerebral cortex, hippocampus and little in thalamus/brain stem  nuclei  ƒ VGLUT2:  • Almost complimentary to VGLUT1 at the mRNA level, mostly sub‐ cortical expression  ƒ Recall thalamus projects to thalamo‐striatal terminus  ƒ Few regions of overlap  • Antiserums:  o Images are different!  ƒ mRNA and protein distributions are DIFFERENT!  o Cortex projects massively to striatum.  ƒ Proteins travel  ƒ Mismatch is  seen in mRNA vs Protein levels  o No vglut in striatum or accumbens  o Medium spiny neurons are GABAergic  ƒ Striatum and accumbens are mainly GABAergic  ƒ The rest is cholinergic.  o Glutamatergic cells are principal cells  ƒ Leave structure where the soma are.  Ultrastructural localisation of VGLUT1 & VGLUT3  • Post‐synaptic density can be visualized  • VGLUT1&VGLUT2 are contained in asymmetrical synapses  o These are characteristic of classical glutamatergic neurons.  o VGLUT1 & VGLUT2 are « glutamatergic »    If VGLUT1 and VGLUT2 account for all « classical » glutamatergic neurons…  • Why the need for VGLUT3 ?    VGLUT3 is expressed by (± all) 5‐HT neurons  • VGLUT3 mRNA is expressed in the Dorsal and medial raphe.  o Area for all serotonergic neurons.  • Another experiment: Label VGLUT3 mRNA in blue and SERT in red (serotonin transporter)  o Many (maybe all?) serotonergic neurons express both SERTand VGLUT3.  o Serotonergic neurons have the potential to transmit info via serotonin or glutamate!    VGLUT3 is expressed by some GABAergic interneurons (Basket cells CCK‐positive) of the  hippocampus and the cortex  • Hypocampus: Mainly glutamatergic pyramidal cells, and <10% GABAergic interneurons.  • Scientists saw a pattern of interneurons.  • Top pic: Some interneurons express VGLUT3 mRNA  • Bottom pic: Colocalization of VGLUT3 & VIAAAT is seen  o Why would you release opposite neurotransmitters at the same time?    VGLUT3 is expressed by all cholinergic interneurones from the striatum  • All the cholinergic interneurons from the striatum express VGLUT3!  o Can communicate with both glutamate and acetylcholine  • Cholinergic interneurons are also named TANs (tonically active neurons)  o This is  because they fire regularly (or in bursts)  • What is the impact of these “bilingual” systems on addiction?    Not one, but three different Glutmatatergic systems  • System 1, VGLUT1: Cortical  • System 2, VGLUT2: Subcortical  • System 3, VGLUT3: Heterologous  o Presence of VGLUT3 in cholinergic interneurons, GABAergic interneurons and  serotonergic cells.    Question :  • What is the role of VGLUT3 in « heterologous » neurons ?  • VGLUT3 is found in :  o Cholinergic interneurons (striatum)  o GABAergic basket cells (CCK‐positive) interneurons (hippocampe, cortex)  o Serotoninergic neurons (raphe nuclei)    VGLUT3 in Striatal cholinergic interneurons: A new function of glutamate  The Striatum and Brain Disorders:  • Function of the striatum:  o Locomotor:   ƒ Planning and modulation of locomotor activity  o Limbic Regulation:  ƒ Egocentric navigation  ƒ Goal directed behavior  ƒ Habit formation  ƒ Reward  • Neuropathologies involving the striatum  o Neurological Diseases  ƒ Parkinson disease  ƒ Huntington disease  ƒ Progressive supranuclear palsy  o Psychiatric Disorders  ƒ Addiction  ƒ Schizophrenia  ƒ Obsessive Compulsive Disorder    The old view on Striatal cholinergic interneurons (TANS):  • Convergence of DA and ACh onto SMS to regulate the output (D1 and D2‐positive MSNs) of  striatal activity  • Striatum receiving somatotropic projections from the cortex  o D1: Pro‐Reward  o D2: Anti‐Reward  • Cholinergic Interneurons: Fire regularly (TAND) express VGLUT3 and also project on MSN  • Thought Acetylcholine & Dopamine had opposite effects on MSN.  This is wrong!!    Imaging: see a massive colocalization  • VGLUT3 and SERT and  • VGLUT3 with VaChT  o VGLUT3 and VAChT are present in the same terminals  o VGLUT3 is found in TANS    Are VGLUT3 and VAChT present on similar or  different vesicles?  • Use antibody that binds to VGLUT3, pass through immune beads…  • They are found in the same vesicles!!!  o What functional consequences does this have?      Vesicular Synergy:  • VGLUT3 impacts on accumulation of acetylcholine.  o Glutamate stimulates Acetylcholine vesicular accumulation  • Vesicular uptake of acetylcholine:  o In presence of glutamate, the amount of accumulated acetylcholine can double or  triple.  o Experiment:  ƒ Take normal mice, do vesicular accumulation of acetylcholine, you get 100%  ƒ Same thing with presence of glutamate, 200%  ƒ Absence of VGLUT3 channel, no more increased stimulation by glutamate.  ƒ Vesicular synergy is clearly due to VGLUT3  • Recall acetylcholine uses delta pH to load vesicles.  o 1 acetylcholine through VAChT exudes 1 proton.  o Using a negatively charged molecule like glutamate, you can increase  the proton  gradient by lowering the charge gradient/  ƒ Used as a counter‐ion to increase the size of the proton gradient  ƒ Convergence of transporters increases the size of cholinergic transmission      Optogenetics:  • Record in Striatum  • Found that stimulation of TANS (have VGLUT3) creates a small glutamatergic current     VGLUT3 molecular roles in TANS:  1) VGLUT3 amplify ACh transmission  2) Glutamatergic signaling  • CONCLUSION : Because of VGLUT3 presence, TANS are bilingual!  o They communicate with Ach and glutamate!    Vesicular synergy extension in the brain  • Growing discovery, other examples have been found.  o Dopaminergic neurons from  VTA and substancia Nigira express VGLUT2 at a certain  point in life.  • VGLUTs colocalization with other vesicular transporters has 2 major consequences:  o Co‐transmission  o Vesicular synergy  • Any counter ion that will be uploaded in synaptic  vesicles as Ach, DA or 5‐HT will have the  same effect        VGLUT3 roles in TANs  1. VGLUT3 amplify cholinergic tones (+200% !)  2. Glutamatergic signaling  • Vesicular synergy – a new role of glutamate in neurotransmission  o (presynaptic regulation of neuromodulation)  • Because of the presence of VGLUT3 & VAChT , TANS communicate with Ach and glutamate  o Co‐transmission  o TANS are bilingual!    What  are the functional consequences of VGLUT3 presence in TANS?  • VGLUT3 knockout mice lost mRNA and protein expression  o A total knockout, can be informative.  • Is there compensation/imbalance of surrounding system  o Important to check since neurotransmitters work together.  o Will changing one component affect others?  ƒ Study: Checked 35 markers, none were modified.  ƒ Cholinergic cells looked fine.  ƒ Can interpret results as a consequence of VGLUT3 loss, not interactions  No major anatomical changes in the striatum of VGLUT3‐KO (VGLUT3 Knock‐out)    VGLUT3 and dorsal striatum  • TANS in the dorsal striatum (sensori‐motor) contribute to the regulation of locomotion and  goal directed behaviors  • Question: does VGLUT3 impact on locomotor activity ?    Basal locomotor activity:  • Study:  o Locomotor activity recording:  ƒ Put mouse in chamber with two rays of infrared beams.  ƒ Recording “horizontal”  & vertical beam cuts to observe activity.,  o Knockouts are slightly hyperactive (a significant difference)  ƒ Which system is responsible for this small hyperactivity?  o Use another mouse:  ƒ Less achetylcholine, hypocholinergic.  ƒ Block ach degradation.  ƒ You should restore WT phenotype provided effects observed are due to  acetylcholine.  o Result  suggests hyperactivity of VGLUT3 knockout mice caused by acetylcholine  depletion.  o VGLUT3‐KO are slightly hyper active  o Hyperactivity is abolished by donepzil (AChE inhibitor)    • Haloperidol‐induced catalepsy  o Haloperidol is a DA reverse agonist  o VGLUT3‐KO are less sensitive to haloperidol induced catalepsy    VGLUT3 and addiction  • TANS in the nucleus accumbens contribute to the regulation of motivated behavior and  reward  • Question: does VGLUT3 impact on reward behavior ?    Addiction:  • As defined by the DSM‐IV:  • Indicated by the presence of three or more of the criteria listed below in the last 12  months.  ƒ Tolerance: Does the patient tend to need more of the drug over time to get  the same effect?  ƒ Withdrawal symptoms: Does the patient experience withdrawal symptoms  when he or she does not use the drug?  ƒ Continued use of drug despite harm: Is the patient experiencing physical or  psychological harm from the drug?  ƒ Loss of control: Does the patient take the drug in larger amounts, or for  longer than planned?  ƒ Attempts  to cut down: Has the patient made a conscious, but unsuccessful,  effort to reduce his or her drug use?  ƒ Salience: Does the patient spend significant time obtaining or thinking about  the drug, or recovering from its effects?  ƒ Reduced involvement: Has the patient given up or reduced his or her  involvement in social, occupational or recreational activities due to the drug?  • A compulsive pattern of drug‐seeking/drug‐taking behavior that takes place at the expense  of most other activities. It leads to a loss of control despite negative consequences and  reoccurring episodes of abstinence and relapse.  • Addiction is fundamentally a pathology of the reward system  • One can be addicted to:  ƒ To substances: psychostimulants (cocaine, amphetamine), opiods, alcohol,  nicotine, sugar, food  • Only a few compounds in nature have addictive properties.  ƒ To “behaviors”: gambling, computer games, sex, work (falling in love?)  • Love is a good thing! Addiction can be a strength too!  • Controversy: Can we model addiction in mice?  • Often, addiction conjures up thoughts of pleasure.  • However, addiction is not related to pleasure.  ƒ Overtime “liking” of reinforce decreases! However, “wanting” increases.  ƒ Hedonia (pleasure or liking) vs Incentive salience (wanting)  ƒ Addiction is the pathology of the wanting.  Rationale for suspecting VGLUT3 implication in addiction  • Dorsal striatum involved in Locomotor activity  • Ventral striatum involved in reward  o Addiction is often viewed as a dysregulation of reward circuits  o VGLUT3 is expressed by TANS.  ƒ These cholinergic interneurons play a central role in the regulation of reward  circuits    Are TANS implication in addiction?  • Cell ablation by immunotoxin‐mediated cell targeting technology  o Specifically kill cholinergic interneurons in the accumbens.  o Monitor CPP: Conditioned place preference to cocaine  • Ablation of TANS in the nucleus accumbens increase sensitivity to cocaine  Ach silencing in the striatum minimally impact on reward  • VAChT‐KO (in the striatum) minimally alters cocaine sensitivity  o Knockout in striatum of cholinergic interneurons produces almost no effect.  How do TANS regulate reward and addiction?    VGLUT3 in TANS:  • TANS use 2 transmitters  o Glutamate  o Acetylcholine    Behavior:  • Addiction as defined by DSMIV or experienced in human cannot be modeled in rodents.  • But part of it (endophenotypes) can be modeled:  ‐ Locomotor activation  • Cocaine induced hyper‐locomotor activity can be measured.  ‐ Sensitization  • Drug Memory  ‐ Positive association with a given environment  ‐ Salience (craving  or wanting)  ‐ Extinction  ‐ Relapse  Study:  • Inject cocaine  o Cocaine: Increase  7X~ o VGLUT3 knockout + Cocaine: locomotor activity is increased ~18X  • Conclusion:  o VGLUT3‐KO are more sensitive to cocaine‐induced locomotor activity      Conditioned Place Preference  • Learn to associate particular environment with drug treatment  • Pairing drug with environment:  o Use a Y‐maze.  o Pair one compartment with cocaine, other with Saline  ƒ Alternate pairings  ƒ Test: Is there liking for a particular compound?  • VGLUT3‐KO mice have an increased preference for the cocaine‐associated compartment!  o (WT mice can reach KO preference with increased concentrations.)    Cocaine self‐administration  • Implant catheter in vascular system of mouse.  • Connect it to syringe with cocaine.  • Light = on, system active.  • Nose‐poke = cocaine injection.  o Mice decides when it  wants cocaine  • VGLUT3‐KO mice do much more nose‐pokes before plateau compared to WT.  o Change rules: 3 pokes for a single injection.  ƒ Does moue know to change behavior?  ƒ How much are they willing to work for cocaine?  o Day 10: to get cocaine reward:  ƒ 1 time, 1 nose poke  ƒ 2X, 2 nose pokes, etc.  • When does the mouse stop playing the game?  • How much does it want to work/want the drug?  ƒ WT pokes 40X for reward  ƒ VGLUT3: go all the way to 80!  • Very strong will to get drug!  o Control: Does the mouse really like the drug, or is pushing the pedal what it wants?  ƒ Light turn off, system inactive  ƒ Extinction curve! Mice learny quickly that poking is useless.  • Conclusion:  o VGLUT3 has important role in reward and cocaine‐reinforcing properties.  o Behavior!    VGLUT3 and  addiction  • VGLUT3‐KO induces major facilitation of cocaine‐self administration  o Higher level of acquisition of self‐administration  o Improved performance of FR1 and FR3  o Increased motivation to obtain the drug  o Comparable levels of extinction  o Augmented susceptibility to relapse    VGLUT3 and underlying molecular mechanisms  • TANS use 2 transmitters  o DA release, DA neurons firing  o DA signaling cascade  o MSN D1 or D2 morphology  o Cortico‐striatal plastiticity    All addictive compounds or behaviors have in common that they induce a DA release in the NAc  • Dopamine release in the accumbens is a very important addiction marker  o (but not in dorsal striatum)    What properties of DA neurons can be observed?  • DA neurons have two modes of firing in the VTA:  o Single Spike – Regular, Isolated spiking  Or  o Bursting      Addictive compounds or behaviors have in common that:  • They increase burst firing of DA neurons in the VTA  o They induce a DA bursting in the VTA  o DA neurons fire regularly:  ƒ Turn on light saying cocaine will follow, neurons will burst  o DA neurons increase firing when reward is predicted  o **May also increase for wanting  of a drug, not confirmed**  • Meanwhile TANS pause in the NAc  o Cholinergic neurons will pause after the cue!    In vivo (anesthesized mouse)  • Track DA release related to stimulation of the accumbens.  o Use voltametry  • DA release is doubled with VGLUT3 Knockout  • Likely occurs in accumbens as DA release is massive.  o VGLUT3‐KO increases DA release (without modification of firing in the VTA)  o VAChT‐KO decreases DA release                D1 & D2 neurons  • Some biochemical markers allow you to  measure D1 & D2.  o Ex: Receptor itself.  ƒ Increased number of D1, no  change in D2 when looking at  N. Acc.  ƒ Suggests D1 (pro‐reward  pathway) activated.  • D1 neurons are coupled to CAMP, cascade.   o P‐ERK is a clear marker of D1 pathway  exclusively in the striatum  o VGLUT3‐KO have an increased P‐ERK  response in the accumbens      Study:  • Measure # of dendritic spines  o (Active pathway will increase this #)  • WT, VGLUT3‐KO, Saline, Cocaine.  o KO have ~50% more spines than WT!  ƒ A LOT!  ƒ Especially since initially they’re already covered with spines!  • Spines related to increased protein synthesis  o Spines are where cortico‐accumbens pathways connected to each other.  o Where glutamatergic terminals will reach the MSNs and enter the system.    • Increased spines:  o When you record activity of cortico accumbens pathway, you find an increased  activity:  ƒ Increased frequency of glutamatergic signaling  ƒ Increased AMPA activity of NMDA.  • Whole pathway (D1 MSN pro‐reward pathway) is constitutively activated in VGLUT3‐KO mice    VGLUT3‐KO Constitutive modification of the brain:  • Increase  of dendritic spines  • Activation of glutamatergic cortico accumbens pathway          Dopamine release in the NAc  • Constitutive modification of the brain of VGLUT3‐KO, even before receiving cocaine:  o Increased DA release  o Increased density of D1 receptors  o Increased reactivity of the D1‐pathway (pro reward)  o Increase of dendritic spines  o Activation of glutamatergic cortico accumbens pathway  • NB: DA encodes for the prediction of reward and for the wanting; cortico‐accumbens  glutamatergic pathway encodes for the context    How we think it’s working:  • Working hypothesis:  o TANS release Ach that stimulates DA release (through nicotinic receptors:  established) and glutamate that inhibits DA release through mGLUR present on DA  terminals (to be established).  o Alternatively mGLUR can be present on Ach terminals      Shown: spine of D1 positive MSN  • VTA dopaminergic terminal controls the  activity of neck of the spine  • On top of spine, you have the cortico‐excitatory pathway which arrives from the cortex.  • To the right, TANS control what’s going  on:  o Release both Ach (red) and glutamate (green)  ƒ Acetylcholine has a stimulatory effect on the release of dopamine.  ƒ Glutamate has an inhibitory effect (because of voltammetry experiment)  • Get rid of VGLUT3 – Only release Ach.  o Increase in DA release/nicotinic receptor because only excitation component is  on.    Recall:  • Ach will stimulate DA release, activate pathway, increase # of spines, increase the  glutamatergic transmission.  o One pathway codes for wanting of drug  o Other codes for context  • When this goes wrong:  o Saline VGLUT3 KO mouse already has the brain of an addict!  o VGLUT3 mutation =  at risk for addiction.    DA and Ach release  • Diminished Ach release in the striatum of VGLUT3‐KO  • No change of DA release    VGLUT3 in TANS and Ach/glutamate cotransmission:  • In TANS VGLUT3: accelerate ACh vesicular accumulation and transmission + glutamate fast  transmission (AMPA) + glutamate slow transmission (mGLUR)  • In the NAC TANS use preferentially glutamate to regulate reward  • In the dorsal (sensori‐motor, DM) TANS use preferentially ACh to regulate locomotor activity  • In the dorsal (limbic, DL) ?      VGLUT3 and addiction  • Absence of VGLUT3 increases:  o Addiction endophenotypes  o DA release (through glutamate: mGLUR ?)  o D1DR and D1 activated cascade (pro‐reward)  o Dendritic spines  o Glutamatergic transmission  • DA and glutamate activation in the NAc are biochemical hallmarks of addiction  • DA 
More Less

Related notes for PSYC 318

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.